Capitulo 2

CAPITULO 2

DISEÑO DE UN CALDERO

PIROTUBULAR

En este capítulo se dan conceptos y conocimientos generales de lo que es un

caldero, y cómo está constituido, su proceso de funcionamiento y operación abordando

luego cálculos para su diseño, así como planos y dibujos referenciales para su

desarrollo.

2.1 DEFINICIÓN DE CALDERA

Caldera, dispositivo utilizado para calentar agua o generar vapor a una presión

superior a la atmosférica mediante un proceso de transferencia térmica. Las calderas

se componen de un compartimiento donde se consume el combustible y otro donde el

agua se convierte en vapor.1

Una caldera es una máquina o instalación, diseñada y construida para producir

vapor de agua a elevada presión y temperatura, las hay, desde pequeñas instalaciones

locales para la producción de vapor para cocción de alimentos, planchado en serie de

ropa, tratamientos sépticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa

baja temperatura y presión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la

1"Caldera ", Enciclopedia Microsoft® Encarta® 05 © 1999-2005Microsoft Corporation.

alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos industriales

donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y presiones.

La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión, tan común en

nuestros hogares.

En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la

que se le aplica calor procedente de alguna fuente, tal como un combustible, electricidad

etc. para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores están confinados a un

espacio cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de

ebullición del agua, pudiéndose alcanzar finalmente muy elevados valores de presión y

temperatura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicialmente

vacío, conocido como domo, de donde se extrae vía conductos para ser utilizado en el

proceso en cuestión.

Aunque el principio de trabajo es muy simple, las particularidades del proceso

son complejas para un trabajo seguro y eficiente de la caldera, especialmente en las

grandes instalaciones industriales.

FIGURA 2.1 Partes Caldera

2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Se clasifican según diversos criterios, relacionados con la disposición de los

fluidos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, aspectos

estructurales, modo de intercambio de calor, la forma del quemado del combustible,

forma de alimentación del agua y otros muchos factores

Basándonos en algunos de estos criterios las calderas se pueden clasificar en:

a) Por la disposición de los fluidos

De tubos de agua (Acuotubulares)

De tubos de humo (Pirotubulares)

b) Por la posición del tambor o hervidor

Verticales

Horizontales

c) Por la posición de los tubos

Verticales

Horizontales

Inclinados

d) Por el número de pasos

Un paso

Dos pasos

Tres o más pasos

e) Por la circulación del agua

De circulación natural

De circulación asistida

De circulación forzada

f) Por el mecanismo de transmisión de calor dominante

De convección

De radiación

De radiación y convección

g) Por el combustible empleado

De carbón (de parrilla mecánica o de carbón pulverizado)

De combustibles líquidos

De combustibles gaseosos

De combustibles especiales (Bagazo, etc.)

Nucleares (uranio natural, enriquecido, etc.)

h) Por la presión de trabajo

Subcríticas

De baja presión (menor a 20 kg/cm2)

De media presión (entre 20 y 64 Kg/cm2)

De alta presión (mayor a 64 kg/cm2)

Supercríticas

Í) Por el tiro

De tiro natural

De hogar presurizado

De hogar equilibrado

j) Por el tipo de construcción

De montaje en fábrica, (calderas compactas o tipo paquete)

De montaje en campo

k) Por el modo de gobernar la operación

De operación manual

Semiautomáticos

Automáticos

l) Clasificación por los materiales

Calderas de fundición

Calderas de acero

Calderas murales

2.3 TIPOS DE CALDERAS

2.3.1. Clasificación de las calderas por su diseño

2.3.1.1 Acuotubulares

Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) en éstas el agua

circula por dentro de los tubos, bañados exteriormente por los gases, logrando con un

menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las

máquinas a vapor de principios de siglo.

La combustión se da en la cámara destinada a dicha función es atravesada por

los tubos de agua, que entonces se calienta y cambia a estado gaseoso. Se utilizan tubos

longitudinales para aumentar la superficie de calefacción y se colocan de forma

inclinada para que el vapor desaloje por la parte superior mientras se fuerza

naturalmente la entrada de agua por la parte inferior. Se utilizan principalmente cuando

se requiera vapor a altas presiones y al ser capaces de generar muy diferentes potencias

fueron muy utilizadas en centrales eléctricas y otras industrias de principios del siglo

XX. El vapor producido es de naturaleza seca, por lo que también es ideal para los

sistemas de transmisión de calor. Se caracterizaban además por sus dimensiones totales

reducidas y por ser originalmente construidas para uso con combustibles sólidos,

mientras que son utilizadas ahora principalmente con combustibles ecológicos, gas o

diesel.

La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre

dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la

temperatura.

FIGURA 2.2 Caldera Acuotubular

2.3.1.2. Pirotubulares.

La caldera de vapor pirotubular, (Calderas de tubos de Humo), en éstas los

humos pasan por dentro de los tubos, y el agua baña a éstos por fuera, concebida

especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes

características.

Los gases muy calientes procedentes de un quemador, se conducen a través de

múltiples tubos embebidos en el agua contenida en el cuerpo de la caldera, hasta una

chimenea de salida al exterior. Estos tubos se conocen como tubos de fuego.

Durante el paso por los tubos, ceden el calor al agua circundante, calentándola y

haciéndola hervir, los vapores resultantes, burbujean en el resto del agua para

concentrarse en el domo de donde se extraen para el proceso. Una válvula de seguridad

calibrada, impide que se alcancen presiones peligrosas para la integridad de la caldera.

FIGURA 2.3 Caldera Pirotubular

2.4. LÍNEAS DE AGUA Y COMBUSTIBLE EN UNA CALDERA

Es importante hablar de los dos flujos que tienen lugar en las calderas para

comprender su funcionamiento.

2.4.1 Flujo agua - vapor - condensado.

El agua previamente tratada que se alimenta a la caldera, es calentada hasta que

se transforma en vapor por el calor recibido, éste vapor se lo transporta hasta los puntos

de consumo donde pierden su calor de condensación y cambian a fase líquida. Con el

objeto de evitar choques térmicos en las estructuras de la caldera y porque el

condensado ya no necesita ser tratado, se lo suele retomar como agua de alimentación

para iniciar nuevamente el proceso, a esto lo llamamos línea de agua.

2.4.2 Flujo combustible/comburente - gases de la combustión.

El combustible es preparado según su naturaleza para que correctamente

atomizado, se mezcle con el comburente (aire por lo general) y se queme lográndose la

presencia de llama producida por la combustión. La energía química se transforma en

energía calórica, que contenida en los gases resultados de la combustión, es transferida

y aprovechada para calentar el agua en la caldera. Estos gases atraviesan la caldera y

son despedidos por la chimenea con la menor cantidad de calor posible, conocido como

línea de combustible.

2.5 PARTES CONSTITUTIVAS DE LA CALDERA

En forma general una caldera está constituida por los siguientes elementos

principales:

Superficies Evaporativas o Caldera propiamente dicha.

Hogar.

Quemador

Conductos para la alimentación de aire para la combustión y de evacuación de

los gases productos de la combustión, incluyendo la chimenea.

Equipos y Mecanismos Auxiliares (Tanques de Alimentación, Bombas de

alimentación, tratamiento de agua. Ventiladores de Tiro inducido y forzado, etc.)

FIGURA 2.4 Vista en Perspectiva Caldera Pirotubular

Componentes de Seguridad de una caldera

Válvulas de Seguridad o Alivio

Detector de llama o Foto celda

Control de presión de seguridad o límite

Control auxiliar de bajo nivel de agua

Alarmas tipo acústica o visual

Con el fin de la mayor eficiencia en la utilización de la energía del combustible,

las calderas pueden contar con otras superficies de calentamiento tales como:

Economízadores

Sobrecalentador

Calentadores de Aire

El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición

horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y

una cámara superior de formación y acumulación de vapor.

La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de

adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida

de humos.

El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y

abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con

bridas de conexión. El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta

sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose

como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las

conexiones e instalación

2.6. EFICIENCIA

La eficiencia de una caldera de vapor está determinada como el porcentaje de

combustible que se convierte en energía calórica para generar el vapor. El método

utilizado para calcular este parámetro generalmente es el de pérdidas de calor, en el que

se suman las pérdidas individuales de calor como un porcentaje de la energía

suministrada y se le resta al 100%. El valor del punto de operación normal de las

calderas industriales es 80% y el rango de operación normalmente varía entre 65% y

85%.

Los pasos para asegurar un sistema eficiente son aquellos en los que se reduce la

pérdida de calor. Se recomienda:

1. Asegurar una adecuada combustión. Éste proceso varía sensiblemente

dependiendo del combustible utilizado, sin embargo se deben seguir las

recomendaciones tanto del proveedor del combustible como del fabricante del

quemador. Se debe alimentar el quemador con la proporción adecuada combustible-aire

y asegurar la limpieza del quemador.

2. Eliminar las pérdidas de calor. Éstas se dan con mayor frecuencia por las

chimeneas, radiación y purgas de calor y puede representar pérdidas de hasta 30% de

eficiencia en los peores casos. En las chimeneas es necesaria el adecuado

mantenimiento y el seguimiento de las normas del fabricante. Para disminuir las

pérdidas por radiación, ya que es imposible eliminarlas por completo, se recomienda

aislar las paredes del hogar de caldera y de la caldera en general. La caldera aislada

adecuadamente no debería presentar pérdidas de más del 3%.

3. Considerar la recuperación del calor. Los economizadores y precalentadores

de aire son instrumentos opcionales que mejoran la eficiencia de una caldera al utilizar

el calor sobrante de los gases que ya han sido utilizados para calentar el agua y

precalentar tanto el agua de alimentación como el aire de combustión. Los equipos de

soplado y lavado utilizan el vapor sobrecalentado o el aire comprimido seco como

medios de limpieza dentro de la caldera.

2.7 AGUA PARA CALDERAS

En relación a tratamientos de agua para calderas, se va a estudiar la utilización

de compuestos inorgánicos tales como: fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo

todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa

que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarán que dicha

incrustación continúe creciendo, pero la incrustación formada no sufrirá disminución

alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificación) por

tanto la desincrustación se deberá realizar manualmente o por medio de recirculación de

ácidos teniendo este último los riesgos correspondientes y en ambas opciones se tendrá

que parar el funcionamiento del equipo.

2.7.1 El agua de alimentación de las calderas

Las aguas que se emplean para la alimentación de las calderas arrastran, por lo

general, materias sólidas en suspensión, como arena, arcilla, etc., y llevan disueltas

diversas sales que por la acción del calor, precipitan.

Antiguamente, cuando las presiones de trabajo eran pequeñas lo mismo que la

vaporización horaria, no se prestó mucha atención a la calidad del agua, permitiéndose

la acumulación de incrustaciones y barros que mayormente no ofrecían inconvenientes

serios, siempre que la caldera fuese purgada y limpiada con cierta frecuencia.

2.7.1.1 Dureza del agua

Un agua puede contener mucha cantidad de sustancias disueltas y sin embargo

no ser dura. La dureza de las aguas se debe a las sales calcicas o magnésicas que

contiene en disolución (dureza total). Es comente expresar la dureza en grados de

dureza o grados hidrotimétricos. Hay tres escalas a este respecto, la alemana, la francesa

y la inglesa. En USA se expresa la dureza en partes por millón (p.p.m.) de carbonato de

calcio.

El grado francés corresponde a una parte del carbonato de calcio en 100000 partes de

agua.

1º (francés)= 1Omg de C03Ca/l de agua

El grado inglés corresponde a una parte del carbonato de calcio en 70000 partes de

agua.

1º (ingles)= 14,28mg de C03Ca/l de agua

El grado alemán corresponde a una parte de oxido de calcio en 100000 partes de agua.

1º (alemán)= 1Omg de CaO/l de agua=7,19 m MgO/l de agua

Las equivalencias entre los diferentes métodos están en la tabla a continuación:

Dentro de las sales calcicas y magnésicas contenidas ordinariamente en las aguas

naturales, se pueden distinguir dos grupos:

TABLA 2.1 De Factores fe conversión entre las diferentes medidas de dureza

p.p.m. 1º Francés 1º Ingles 1º Alemán

p.p.m. x 0.01 0.07 0.056

1º Francés 10 x 0.70 0.560

1º Ingles 14.3 1.43 x 0.800

1º Alemán 17.9 1.79 1.25 x

2.7.1.2 Lodos e incrustaciones

Las sales de calcio y magnesio, disueltas bajo forma de bicarbonatos, pierden anhídrido

carbónico al calentarse, y se depositan bajo forma de carbonatas; el sulfato calcico, cuya

solubilidad disminuye a partir de los 35°C., también se precipita de una manera más

sensible todavía.

Tanto las materias en suspensión en el agua como la precipitación de sales, da

lugar a la formación de depósitos en las paredes de las calderas, que pueden ser

pulverulentos y poco adherentes y, por tanto, fáciles de quitar, o sumamente adherentes,

hasta el punto de que no se separan si no se recurre al escoplo y cortafríos. Los primeros

conocidos con el nombre de lodos, y de incrustaciones los segundos.

Los graves inconvenientes que la formación de estos depósitos tienen para el

buen funcionamiento y conservación de las calderas; es el hecho de que una capa de

sulfato calcico opone al paso del calor la misma resistencia que una plancha de

fundición de espesor veinte veces mayor.

Para evitar la formación de depósitos en las paredes de las calderas se pueden

seguir varios procedimientos. Desde luego, el más radical consiste en el empleo del

agua destilada. Las aguas de lluvia y las que proceden de la fusión de las nieves pueden

considerarse como puras para estos efectos, pero hay el inconveniente de la dificultad

para recogerlas y el no poder disponer de ellas en todo momento.

2.7.1.3 Corrosión

Algunas sales resultan perjudiciales aun cuando su presencia, en el agua sea muy

pequeña. Entre ellas se encuentra el Cl2Mg, el S04Mg, el (NO3)2Mg y el Cl2Ca; todas

sales inestables en las condiciones reinantes en las calderas y que al descomponerse,

producen ácidos libres.

El CI2Mg al hidrolizarse, por la acción del calor, produce Clh que ataca al hierro,

apareciendo cloruro de hierro, el que se descompone, regenerándose el ClH, iniciándose

otra vez el ciclo de corrosión. Lo mismo ocurre con el (NO3)2Mg: en este caso aparece

hidróxido de hierro y ácido nítrico.

El CO2, disuelto en el agua, también es de acción corrosiva.

Otro agente de corrosión es el aire disuelto en el agua que produce una oxidación lenta.

Muchas aguas contienen ácidos en disolución o pueden producirlos, como

sucede con las que llevan disuelto cloruro magnésico, el cual por el calor se

descompone, dando ácido clorhídrico; las aguas de estas condiciones deben

neutralizarse mediante la cal o la sosa cáustica. Las grasas de origen animal o vegetal

también son descompuestas por el calor, con formación de ácidos. En las calderas se

disponen, a veces, en su interior unas láminas de cinc que forman con el hierro de la

plancha un par voltaico; el cinc es atacado y el hidrógeno se desprende sobre la plancha,

impidiendo la adherencia de los depósitos (método electroquímico).

Las corrosiones pueden ser interiores y exteriores; unas y otras, disminuyen el

espesor de la plancha que constituye las paredes de la caldera y contribuyen a reducir su

resistencia.

2.7.2 Purificación de las aguas para calderas

Un tratamiento completo de las aguas para calderas exige la eliminación de

todos los componentes que se hallan como materias en suspensión: gases disueltos y

materias disueltas (dureza).

2.7.2.1 Eliminación de las materias en suspensión

Se efectúa por filtración o sedimentación antes o después del tratamiento para

eliminar la dureza, según la naturaleza de ésta. Raras veces se utilizan filtros cerrados, a

presión; son más frecuentes los filtros por gravedad, con capas de arena como material

filtrante. Para ayudar a los procesos de clarificación o filtración, es práctica corriente

incorporar al agua una cierta dosis de (S04}3Al2 o SO4Fe. Estas sales se hidrolizan y dan

los hidróxidos correspondientes, que actúan como floculante y retienen buena parte de

las impurezas insolubles en el agua que son fácilmente filtrables o difícilmente

sedimentables. La cantidad de sulfato de aluminio a incorporar al agua se suele calcular

por la de (CO3H)2Ca; cada grado de dureza debida al bicarbonato reacciona con 40 mg

de (SO4)3AL2.18H2O comercial (12 al 14% de Al2O3). La dosis de sulfato debe ser tal

que en el agua quede una dureza temporal entre ½ y 1º d.

Los aparatos destinados a separar los cuerpos insolubles consisten en una serie

de recipientes, por los cuales se hace circular el agua, mezclada con los reactivos, a una

velocidad muy pequeña; dichos depósitos llevan en su fondo una llave, o registró, que

permite extraer las sustancias precipitadas.

2.7.2.2 Eliminación del aire y CO2 disueltos

Es preciso efectuarla para evitar corrosiones. Se utiliza para ello el hecho de que

al elevar la temperatura o reducir la presión disminuye la solubilidad Industrialmente se

utilizan ambos fenómenos: Calentamiento de agua y producción de vacío. Si la

calefacción es por vapor directo, entonces la condensación de éste produce el vacío

necesario; es preciso no obstante, un eyector de aire para arrastrar los gases

desprendidos y no condensables Para mayor eficacia se trabaja con gran subdivisión de

la masa de agua. Los aparatos funcionan con columnas de desorción (stripping).

También para eliminar dichos gases se calienta el agua de alimentación entre 80º y 90º

C., y se la deja caer en cascada para facilitar la desgasificacion.

Los desgasificadores pueden clasificarse en:

Tipo de bandeja

Tipo de atomización

2.7.3 Ablandamiento de las aguas

Tiene por objeto eliminar del agua los componentes salinos causantes de la dureza.

Con tal fin se utilizan varios métodos que pueden ser físicos (destilación);

fisicoquímicos (intercambio iónico) y químicos.

2.7.3.1 Destilación

Es útil cuando es poca la cantidad de agua a ablandar con respecto al agua a

evaporar en la caldera, es decir, se puede aplicar donde se utilizan los condensados o

aguas de retorno. Sin embargo, para evitar las dificultades que puedan provenir de la

contaminación de estas aguas en los condensadores, etc. lo corriente es hacer que

preceda a la destilación una depuración química. La ventaja principal de la destilación

es que da un agua que, por ser destilada, está casi desprovista de sales disueltas; pero es

demasiado caro el proceso.

2.7.3.2 Métodos basados en intercambio iónico

Utilizan zeolitas (aluminosilicatos de sodio), como la natrosita y la analcita.

También se emplea la permutita, o sea una zeolita artificial obtenida por la fusión de

una mezcla de cuarzo, caolín y carbonato sódico.

Con esto, el agua pierde su dureza casi totalmente (la dureza residual no suele

pasar la cifra de 5 p.p.m.), saliendo del tratamiento casi sin iones calcio pero con un

mayor contenido de iones sodio. Esto puede ser una dificultad, pues el CO3HNa

formado por intercambio, pasa en la caldera a CO3Na2 que, por hidrólisis, libera iones

OH-en cantidad tal que pueden producir la corrosión cáustica de la caldera. Para evitarla

se añade al agua, después del intercambio, ácido sulfúrico o, mejor, fosfórico que

forman las correspondientes sales sódicas (inhibidoras) a costa del carbonato y del

bicarbonato.

2.7.3.3 Métodos químicos para el ablandamiento de aguas

Los cinco métodos más importantes para el ablandamiento de las aguas por vía química

son:

1.- Método de la cal-sosa.

2.- Método de la sosa cáustica.

3.- Método de la sosa.

4-- Método del carbonato banco

5.- Método del fosfato sódico.

En todos ellos la dureza desaparece por precipitación de los iones calcicos y

magnésicos.

2.8. CICLOS DE FUERZA DE VAPOR

FIGURA 2.5 Caldero Pirotubular

2.8.1 Ciclos de fuerza de vapor

2.8.1.1 Definición ciclo de vapor

Un CICLO DE VAPOR, es una serie de transformaciones por las cuales

atraviesa un sistema de tal forma que sus estados inicial y final son los mismos.

FIGURA 2.6. Representación Grafica de un ciclo

2.8.1.2 Rendimiento térmico

Se denomina rendimiento térmico del ciclo, al cociente entre la cantidad de

trabajo producida por el ciclo, Wc, y la cantidad de calor que ha entrado al sistema, esto

es:

Qe

Wc (3.1)

2.8.2 Ciclo de vapor de Carnot

El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, en el que se obtiene el máximo rendimiento

térmico, y está constituido por dos procesos isotérmicos y dos isoentrópicos, si fuera

posible, se adoptaría como el ciclo ideal. Pero, como se explica a continuación, el ciclo

de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. A lo largo de todo el

análisis se considera al vapor como el fluido de trabajo, puesto que su empleo

predomina en los ciclos de potencia de vapor.

Considere un ciclo de Carnot de flujo estable ejecutado dentro de la curva de

saturación de una sustancia pura como el agua, según se muestra en la figura 2.7 a. El

agua se calienta de modo reversible e isotérmico en una caldera (proceso 1-2); tiene una

expansión isoentrópica en una turbina (proceso 2-3); se condensa reversible e

isotérmicamente en un condensador (proceso 3-4), y se comprime de manera

isoentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial (proceso 4-1).

Con este ciclo se asocian varias situaciones:

1. La transferencia isotérmica dé calor hacia o desde un sistema de dos fases no es

difícil de alcanzar en la práctica, puesto que una presión constante en el dispositivo

fijará automáticamente la temperatura en el valor de saturación. Siendo posible

aproximar bastante los procesos 1-2 y 3-4 a los de las calderas y condensadores reales.

Sin embargo, restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de dos fases

limita severamente la temperatura máxima que puede emplearse en el ciclo (tiene que

permanecer debajo del valor del punto crítico, que es de 374°C para el agua). Limitar la

temperatura máxima en el ciclo restringe también la eficiencia térmica.

2. El proceso de expansión isoentrópica (proceso 2-3) puede lograrse por medio de una

turbina bien diseñada. No obstante, la calidad del vapor disminuye durante este proceso,

como se observa en el diagrama T-s de la figura 2.7.a. De ese modo la turbina tendrá

que manejar vapor con baja calidad, es decir, vapor con un alto contenido de humedad.

3. El proceso de compresión isoentrópica (proceso 4-1) implica la compresión de una

mezcla de líquido-vapor hasta un líquido saturado. Hay dos dificultades asociadas con

este proceso. Primero, no es fácil controlar el proceso de condensación de manera tan

precisa como para finalizar con la calidad deseada en el estado 4. Segundo, no es

práctico diseñar un compresor que maneje dos fases.

Algunos de estos problemas se eliminan al ejecutar el ciclo de Carnot de manera

diferente, como se muestra en la figura 2.7b. Este ciclo presenta otros problemas, como

la compresión isoentrópica a presiones en extremo altas y la transferencia isotérmica de

calor a presiones variables. Concluyendo que el ciclo de Carnot no se logra en los

dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor.

FIGURA 2.7 Diagrama T-s para dos ciclos de vapor de Carnot.

2.8.3 Ciclo Rankine: El ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor

Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de

Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el

condensador, como se muestra de manera esquemática en un diagrama T-s en la figura

2.8. El ciclo que resulta es el ciclo Rankine, que es el ciclo ideal para las plantas de

potencia de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y

está compuesto por los siguientes cuatro procesos:

1-2 Compresión isoentrópica en una bomba

2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera

3-4 Expansión isoentrópica en una turbina en nuestro caso la fabrica en la que se va a

utilizar el vapor

4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador

El agua entra a la bomba en el estado 1 como liquido saturado y se le aplica una

compresión isoentrópica hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del

agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isoentrópica debido a una

ligera disminución en el volumen específico del agua. La distancia vertical entre los

estados 1 y 2 en el diagrama T-s se exagera de manera considerable para mayor

claridad. El agua entra a la caldera como un líquido comprimido en el estado 2 y sale

como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es un gran intercambiador de

calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u

otras fuentes se transfiere al agua a presión constante. La caldera, con la sección donde

el vapor se sobrecalienta (el sobrecalentador), recibe el nombre de generador de vapor.

El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra a la turbina donde se expande

isoentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador

eléctrico. La presión y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta

los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. En este estado, el vapor

suele ser una mezcla saturada líquido-vapor con una calidad alta. El vapor se condensa a

presión constante en el condensador, que es un intercambiador de calor, que rechaza

calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El vapor

abandona el condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el

ciclo. En áreas donde el agua es muy valiosa, las plantas de potencia son enfriadas por

aire en lugar de agua. Este método de enfriamiento que también se emplea en motores

de automóvil, recibe el nombre de enfriamiento seco.

El área bajo la curva de proceso en un diagrama T-s representa la transferencia

de calor para procesos internamente reversibles; obsérvese que el área bajo la curva de

proceso 2-3 representa el calor transferido al agua en la caldera y que el área bajo la

curva de proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia

entre estas dos (el área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido durante el

ciclo.

FIGURA 2.8 El ciclo Rankine ideal simple.

2.8.3.1 Análisis de energía del ciclo Rankine ideal

Los componentes asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y

condensador) son dispositivos de flujo estable; por ello es posible analizar los cuatro

procesos que conforman el ciclo Rankine como procesos de flujo estable. Los cambios

en la energía cinética y potencial del vapor suelen ser pequeños respecto de los términos

de trabajo y de transferencia de calor y, por consiguiente, casi siempre se ignoran. De

ese modo, la ecuación de energía de flujo estable por unidad de masa de vapor se reduce

a

)/...()()( KgkJhhwwqq iesaleentrasaleentra (3.2)

La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo, y se supone que la

bomba y la turbina son isoentrópicas. En ese caso la relación de la conservación de la

energía para cada dispositivo se expresa como sigue:

Bomba (q = 0): 12 hhw enbomba, (3.3)

o,

)(, 12 PPvw enbomba (3.4)

Donde,

1111 PfPf vvvyhh @@ .......... (3.5)

Caldera (w = 0): 23 hhqen (3.6)

Turbina (q = 0): 43 hhw salturb, (3.7)

Condensador (w = 0): 14 hhqsal (3.8)

La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de:

en

sal

en

neto

tq

q

q

w1 (3.9)

Donde, enbombasalturbsalenneto wwqqw ,,

2.8.4 Incremento de la eficiencia del ciclo Rankine

Las plantas de energía de vapor son responsables de producir la mayor parte de

la energía eléctrica en el mundo, e incluso pequeños aumentos en la eficiencia térmica

significan grandes ahorros en los requerimientos de combustible.

La idea básica para incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de potencia es

la misma: aumentar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de

trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor se rechaza

del fluido de trabajo en el T condensador. Es decir, la temperatura promedio del fluido

debe ser lo más alta posible durante la adición de calor y lo más baja posible durante el

rechazo de calor

FIGURA 2.9. Diagrama de ciclo de vapor Caldero Pirotubular

2.8.2 Cálculo de un Caldero Pirotubular de 3 pasos

Requerimientos de la fábrica:

Datos:

Presión promedio de trabajo 4 kg/cm2

Presión de ingreso Agua 1 kg/cm2

Caudal steam (vapor) 650 kg/h

Temperatura de ingreso Agua 70 °C

2.8.2.1 Estudio de la potencia del caldero:

hKgW

tablasdevalor@0ºCh

SteamMasicoCaudalW

@0ºCh15,44

hhWHP

s

fg

s

fg

entradasalidasB

/

.....

....

650

27597

Resolución:

Se realiza el diagrama termodinámico para identificar los estados

Propiedades termodinámicas en el punto entrada

P= 1kg/cm2

T= 70 C

Cpagua= 1kcal/ kg K

hentr = ?

kgkcalh

cpdtcpdh

oSubenfriadLiquidoEntalpiah

h

Ct

cmkgP

h

ls

ls

entrada

70

1

70

1

70

0

1

0

2

....

?

º

Propiedades termodinámicas en el punto salida

P= 4kg/cm2

T=

Cpagua= 1 kcal/ kg K

hsal= 653,72 kcal/ kg ver tabla

BB

B

HpHP

Kg

Kcal

Kg

Kcal

Kg

Kcal

h

Kg

HP

..

..

.

15641

275974415

709653650

La potencia de diseño tiene que ser superior a la potencia de trabajo por lo tanto

se toma un 20% mas aproximadamente. 2

50diseñoPot.BHp

2 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de

Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

kgkcalh

x

cmkg

P

h

g

salida

9.653

1

4 2

Con la potencia de diseño se calcula el caudal masico del vapor de diseño que

puede proporcionar este caldero, se construye con esta potencia para preveer cualesquier

inconveniente en la fábrica.

h

Kg

h

KgW

Kg

Kcal

Kg

Kcal

Kg

KcalHP

W

hh

ChHPW

s

B

s

entradasalida

fgB

s

79068789

7072653

2597441550

04415

.

,

,,

º@,

FIGURA 2.10. Esquema de Flujo de Agua y Calor

2.8.2.2 Estudio del cuerpo:

El cuerpo esta formado por:

Coraza

2 Espejos

2 Carretes

2 Tapas

Tubos

Hogar

Un caldero equivale a un intercambiador de calor, en donde el fluido caliente circula por

el interior de los tubos y el fluido frió por el exterior de los mismos, la mayoría de casas

constructoras para el diseño de número de pasos del fluido interno le dan tres pasos, y

para el fluido externo un solo paso.

FIGURA 2.11. Diagrama Caldero

2.8.2.3 Estudio de los tubos.

Diámetro.

Para potencias relativamente bajas las casas constructoras recomiendas tubos sin

costuras con las siguientes características:

Esquema del tubo

FIGURA 2.12. Esquema del tubo para caldero

Diámetro

nominal

NPS

Diam. Ext. Cedula 40

pg mm

Grosor Pared Presión Int. Trab. Peso Aprox.

pg mm PSI Kg/m Lb/pie Kg/m

1/8 .405 10.29 .068 1.73 6170 434 .25 .37

1/4 .540 13.72 .088 2.24 5970 420 .43 .63

3/8 .675 17.15 .091 2.31 4810 338 .57 .85

1/2 .840 21.34 .109 2.77 4610 324 .85 1.27

3/4 1.050 26.67 .113 2.87 3750 264 1.13 1.69

1 1.315 33.40 .133 3.38 3510 247 1.68 2.50

11/4 1.660 42.16 .140 3.56 2880 202 2.27 3.39

11/2 1.900 48.26 .145 3.68 2590 182 2.72 4.05

2 2.375 60.33 .154 3.91 2180 153 3.65 5.45

21/2 2.875 73.03 .203 5.16 2390 168 5.79 8.64

3 3.500 88.90 .216 5.49 2070 146 7.58 11.30

31/2 4.000 101.60 .226 5.76 1890 133 9.11 13.58

4 4.500 114.30 .237 6.02 1750 123 10.79 16.09

6 6.625 168.28 .280 7.11 1395 98 18.97 28.28

8 8.625 219.08 .322 8.18 1227 86 28.55 45.57

10 10.750 273.05 .365 9.27 1113 78 40.48 60.36

Tabla 2.2 Dimensiones y Presiones de trabajo de tubería de Cedula (Pipe)

ASTM A312

Diámetro exterior: 60,3 mm.

Diámetro interior:52,51 mm.

Espesor: 3,91 mm.

Longitud.

La longitud de los tubos se dan por formulas experimentales, en los que cada una

de ellas es una función de la potencia.

La formula de cálculo esta basada en formas experimentales 3

300480 ,, BHPL

mL

HpL

72

30500480

,

,,

Área de cada tubo

25110

7206030

mA

mmA

LDA

.

.*.*

**

2.8.2.4 Estudio del área de calefacción.

Esta área tiene parámetros diferentes a los que tiene si el combustible sólido,

este valor es una función de la potencia del caldero, y se encuentra en muchas formulas

dadas por las casas constructoras 4 , la ecuación que se recomienda es:

2246,23ncalefacció de Area

004,0465,0ncalefacció de Area

m

HPB

2.8.2.5 Estudio del número de tubos.


Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

4 Bernal Bolívar, Calculo de Equipo, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca-

Ecuador 2006

tubos

m

m

..,#

,

,#

#

464245

721060

2462323

2

tubos de

tubos de

tuboslos de externa Area

calefacion de Areatubos de

Este numero de tubos se puede aumentar o quitar dependiendo del diseño sobre

el cual se trabaja.

Calculo peso total tubos.

Kgtubostotalpeso

tubostotalpeso

tubcKgP

P

VP

mP

mV

V

eLAV

32695

4611515

11515

7200100992

100992

109137206330

3

33

3

.....

*.....

/...

**.

*

*

*.

)*.(*.*).*(

**

Fijación de Tubos

A) Expansión y Rolado

Es la manera comúnmente utilizada por todos los fabricantes de calderas lo cual permite

el movimiento lineal cuando el tubo se expande. Requiere reexpansión periódica.

B) Expansión, Enrolado y Prossering

Proceso en el cual captura el tubo por los dos lados de la placa tubular eliminando

movimiento linear y la re-expansión periódica correspondiente.

C) Expansión, Enrolado, Prossering y Soldadura

Un proceso para rigidez adicional. Se puede cambiar el tubo sin deformar el agujero.

2.8.2.6 Distribución de los tubos en el espejo.

Los tubos en el espejo deben tener una distribución de triangulo equilátero.

= 60,32 mm esta cota constituye el diámetro externo del tubo

Calculo de pt:

Pt= 2 radios * do

Pt=1.25 * 60.32mm

Pt = 75,4 mm.

Calculo de c`:

C`=0.25 * do

C`=0.25 * 60.32mm

0d

c = 15,08mm.

En la distribución de tubos x paso se puede aceptar un error del 5% del diseño

2.8.2.7 Estudio del diámetro del espejo

Las casas comerciales que construyen calderos recomiendan Diámetros del

espejo de 1,06 m. para calderos con una potencia de hasta 100 , el espesor es un

criterio particular, pudiendo ser un mínimo de 10 mm de espesor. 5

D espejo= 1.06 m

2.8.2.8 Estudio del hogar.

El hogar es un tubo cuyo diámetro debe estar entre un 40% y 45% del diámetro

del espejo, la posición de este tubo en el espejo depende exclusivamente del diseño, es

decir que se pueda subir o puede bajar a lo largo del eje vertical, de tal forma que se

asegure que sobre el mismo existan dos filas de tubos y tenga el área para acumulación

de vapor6.

m

espejoiametro

4770,

..

hogar

m 1,060,425 hogar

d42.5% hogar

Espesor del hogar 10 mm (por determinación de casas fabricantes)


ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008



BHP

2.8.2.9 Estudio del área para acumulación de vapor.

Esta área se encuentra en la parte superior del espejo, se denomina como área

de acumulación de vapor; esta altura entre el agua y el domo es de un 20% del diámetro

del espejo.

.,

,,

..%

maltura

maltura

espejodiametroaltura

2120

06120

20

FIGURA 2.13 Cotas de área de acumulación de vapor

2.8.2.10 Estudio del tanque de agua.

Condición principal

Este tanque debe entregar un caudal constante durante 20 min.

31000

68789

mkgagua

hkg

WS

.

,

Caudal Volumétrico:

h

mQ

mkg

hkg

Q

WsQ

3

3

7900

1000

790

.

Del caudal total requerido en el sistema, se determina el volumen necesario para

suministrar en 20 min. Tengo:

El volumen del líquido que deber tener el tanque de alimentación (0,263m3) es

el 70% del volumen total del tanque.

70% liquido

30% vació

Por lo tanto el volumen del tanque de alimentación es:

3

3

3750

70

100263230

mV

xmV

Tanque

Tanque

,

%

%,

De las dimensiones de este tanque, la relación es 3d

l entonces obtenemos:

Relación entre longitud y diámetro

3

2 26323,0 mV OH

3L

m

mD

VD

xDxV

xDxxD

V

xLxD

V

xDL

T

54240

3

37504

3

4

4

3

34

4

3

3

3

3

3

2

2

,

.

.

Longitud del tanque:

mL

mxL

xDL

6271

5403

3

,

.

2.8.2.11 Estudio de a potencia de la bomba de agua:

Parámetros

Caudal volumétrico (Q)

790seg

m3

Densidad )(

3600

3m

Kg

Trabajo bomba (hw)

Kg

Kgm

Rendimiento bomba =0,75

Factor de corrección para pasar a CV CV (75)

xhwPot

hwh

Kg

Pot

hwWPot

sg

Kga

h

KgdepasarparaW

QxW

hwQPot

Bomba

Bomba

sBomba

S

S

Bomba

00390

75750

2190

75

3600790

75

.

.

.

..........)../(

2.8.2.12 Estudio del trabajo de la bomba (hw)

Se aplica bernoulli entre 1 y 2

rozamientoporperdidashf

especificopeso

resionPP

velocidadU

potencialgacarz

hfP

g

UZhw

P

g

UZ

....

..

.

...

2

2

22

1

2

11

22

Se desprecia la energía potencial y cinética ya que son pequeñas:

hfxx

hw

hfPP

hw

1000

101

1000

105 44

12

Calculo de perdidas

D

LL

g

Ufhf

E**

2

2

D=40,1mm

21 ZZ

Las perdidas ocasionadas por los accesorios y longitud de tubería se calculan a

continuación:

L=2,5 para tubería recta

EL 2 x10 =20 (2 válvulas perdidas en accesorios)

1x15 = 15 (1 válvulas check perdidas en accesorios)

EL = 35

537

5235

.

.

E

E

LL

LL

Para determinar el factor de fricción determino

Numero de Reynolds

FIGURA 2.14 Diagrama de Flujo de Vapor

0le.despreciab ntepracticame 2

2

1

g

U

0le.despreciab ntepracticame 2

2

1

g

U

Cálculo de reynols.

6953

10104010

21904

4

23

eR

msNxm

s

Kg

eR

D

WeR s

.

/.*.*

.*

.

**

*.

Calculo Velocidad

Cálculo de u

D

Qu

4

s

mU

m

s

mE

U

170

0400

1924

2

24

.

.*

.*

Rugosidad relativa

001440

251

00180

.

".

".

D

D

Con la rugosidad relativa y el número de Reynolds, se obtiene el factor de fricción en el

diagrama de Moody.

Cálculo de f en el diagrama de Moody

0380.f

mhf

m

mm

sg

m

sg

m

hf

D

eeuqivalentLL

g

ufhf

0520

04010

3552

8192

170

0380

2

2

2

2

.

.

.

.

.

.

.

Kg

Kgmhw

m

m

Kgm

Kg

m

Kgm

Kg

hw

05240

0520

1000

10000

1000

50000

3

2

3

2

.

.

GPMPot

CVPot

Kg

KgmPot

Bomba

Bomba

Bomba

..

,

.,

7

1560

052401093 3

Calculo de la potencia Real de la Bomba

Es importante garantizar la potencia que requiere la bomba para alimentar agua al

caldero por lo tanto se obtiene una potencia real:

GPMpot

potpot

real

Bombareal

..

%*

13

200

Tabla 2.3 Datos de bombas de agua, catalogo Cleaver Brooks

Bomba mercado= 13 GPM

FIGURA 2.15 Niveles de liquido y vapor en la caldera

2.8.2.13 Calculo del combustible necesario para la caldera

Parámetros

Combustible Diesel

Poder Calorífico

Densidad

Temperatura 25ºC

Calor que necesito para elevar la entalpía del punto 1 al 2:

kgkcal7200

3920m

kg

esS hhWq

kgkcal69,927 entrada de entalpia

kgkcal653,9 salida de entalpia

e

s

h

h

kg

Kcalq

kg

Kcal

kg

Kcal

h

kgq

hhWsq

nec

nec

entrsalnec

79461138

709653790

,

).(

)(

Calor que debe dar el combustible:

Cp

hhWsW

xCpWhhWs

caloricoenergiadebalance

Cp

qW

CpWq

entrsalfuel

fuelentrsal

ECOMBUSTIBL

ECOMBUSTIBLfuel

)(

)(

......

.

kg

Kcalq

kg

Kcal

h

Kgq

h

KgW

kg

Kcal

kg

Kcal

W

nec

fuel

fuel

fuel

8461138

72000464

0464

7200

79461138

,

*..

.

,

2.8.2.14 Caudal volumétrico del combustible

GPHq

galonesapasarparaq

horaporlitrosq

litrosapasarparaxh

mq

Kg

m

h

Kg

q

Wq

fuel

fuel

fuel

fuel

fuel

fuel

fuel

fuel

...

........./..

........

..........

.

.

.

..

5418

753669

669

100006960

920

0464

3

3

Para tener una certeza de que el combustible pueda cubrir cualquier demanda se

coloca un factor de seguridad de entre 200% y 300% por recomendación de

alimentación de las casas comerciales de modo que7:

40GPHGPHQ

GPHQ

ECOMBUSTIBL

ECOMBUSTIBL

0837

25418

.

,

Bomba y quemador con un máximo de 40 GPH

En la bomba no pasa el valor total de 40 GPH sino solamente los 18,54 el resto

de combustible regresa, por el ciclo de retroalimentación, de igual manera sucede en el

atomizador, lo que no se consume retorna al tanque de diario, mediante la acción de las

válvulas selenoides.

Selección bomba.

Considerando las especificaciones de los cálculos si como las de diseño,

consideramos las bambas existentes en el mercado, analizando todos estas exigencias

determinamos la adquisición de la bomba:

Cleaver Brooks SS-H5-3 con una capacidad de 13 GPM con una presión de 70

Psi, garantizándonos el cumplimiento de nuestros requerimientos de diseño.



2.8.2.15 Selección quemador

Características del quemador

Consumo de combustible (para una intensidad calorífica de 1245.76 Mcal/h.m3 en el

hogar) 45.4 lt/h

Capacidad de bombeo de combustible 75.7 lt/h

Potencia del motor de inyección de aire 2HP

Velocidad de giro del ventilador 3450 rpm

Voltaje del circuito de control normalizado 115 V

Características del motor del inyección de aire 3-230-60

Capacidad de inyección de aire 1019.4 m3/h

Tipo de inyección eléctrica

(Los valores 3-230-60 significan trifásico -230 voltios -60 ciclos).

Principio de funcionamiento

El aire y el combustible se inyectan en el hogar y se inflaman al contacto con la

llama que alimentan. La forma y el posicionamiento de la llama en el hogar son

primordiales para:

Optimizar los fenómenos de radiación y convección;

Reducir las emisiones de NOx, CO y polvos.

FIGURA 2.16 Diagrama Flujo Combustible

El quemador funciona con un ligero exceso de oxígeno, 10 a 15% para

garantizar una combustión completa evitando las pérdidas térmicas por los humos.

Durante su utilización, el quemador tiene regulaciones próximas al punto de equilibrio

entre la formación creciente de NOx y de CO garantizando un rendimiento elevado.

Los humos de combustión circulan así por los circuitos de recuperación, tubos

de humos o circulación alrededor de los serpentines para mejorar los rendimientos

energéticos.

Se considera el valor calculado de la bomba un valor máximo de 40 GPH

De lo que se elige el quemador:

POWER FLAME TYPE HAC3-06

Que cumple con las características de caudal volumétrico máximo con un rango

de 45GPM

2.8.2.16 Balance estequiometrico

En la tabla 4 se indican las especificaciones de los aceites combustibles de acuerdo a

normas internacionales.

COMBUSTIBLE

PODER CALORIFICO

SUPERIOR (Kcal/Kg)

PODER CALORIFICO

INFERIOR (Kcal/Kg)

DIESEL No. 1 (KEREX) 10.852 10.233

DIESEL No. 2 (DIESEL) 10.913 10.237

FUEL OIL No. 6

(BUNKER)

10.608 10.046

Tabla 2.4 Descripción de aceites combustibles

Composición Valor Medio

C,%p 86.45

H,%p 10.42

N,%p 0.50

Na,%p x l0-4

13.47

K, %p x l0-4

9.65

Ca,% p x l0-4

3.95

Mg,% p x l0-4

2.29

V, % p x l0-4

101. 16

Si+ins,% p x l0-4

80.40

S, % p x l0-4

4,69

Tabla 2.5 Composición Elemental del Fuel Oil Nº 6

Composición química del combustible

Nombre Símbolo %peso Peso molecular

Carbono C 86,5 12kg/kmol

Hidrogeno H 10,4 1kg/kmol

Azufre S 4 32kg/kmol

Tabla 2.6 Composición Elemental del Fuel Oil Nº 6

El aire es la fuente común de oxígeno para la combustión en las calderas; es una mezcla

de oxígeno, nitrógeno y pequeñas cantidades de vapor de agua, dióxido de carbono,

argón y otros elementos. La composición del aire atmosférico está dado en la tabla 6

AIRE ATMOSFERICO SECO

ELEMENTO VOLUMEN % PESO

MOLECULAR

Nitrógeno 78.09 28.016

Oxígeno 20.95 32.000

Argón 0.93 39.944

Dióxido de carbono 0.03 44.010

Tabla 2.7 Composición aire atmosférico

Composición química del aire

Nombre Símbolo % peso Peso molecular

Oxigeno O 21 16kg/kmol

Nitrógen

o

N 79 14kg/kmol

El caudal másico es:

h

kgW

m

kgx

h

mEWs

QxpWs

h

mEQ

GPHQ

ECOMBUSTIBL 5172

9205187

5187

40

3

33

33

,

.

.

Calculo del flujo másico del aire para el carbono WC.

22 NOCaire XXW

Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar CO2.

C + O2

12 32 [kg/kmol]

172,5(86%) X [kg/h]

h

kgX

kmol

kg

xh

kgx

kmol

kg

X

O

O

6395

12

860517232

2

2

,

).(,

Calculo de la cantidad (X) de Nitrógeno para formar el aire.

Aire

O2 + N2

23 77 % composición del aire

395,6 X [kg/h]

h

kgX

xh

kg

X

N

N

41324

230

7706396

2

2

,

.

).(,

h

kgW

h

kg

h

kgW

XXW

Caire

Caire

NOCaire

1720

413246395

22

,,

Calculo del flujo másico del aire para el Azufre WS.

22 NOSaire XXW

Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar SO2.

S + O2

32 32 [kg/kmol]

172,5(4%) X [kg/h]

h

kgX

kmol

kg

xh

kgx

kmol

kg

X

O

O

7

32

040517232

2

2

),(,


Aire

O2 + N2


7 X [kg/h]

h

kgX

xh

kg

X

N

N

4323

230

7707

2

2

,

.

).(

h

kgW

h

kg

h

kgW

XXW

Caire

Caire

NOCaire

4330

43237

22

,

,

Calculo del flujo másico del aire para el Hidrogeno WH2.

222 NOaireH XXW

Calculo de la cantidad (X) de oxigeno para formar vapor H2O.

2H2 + O2

4 32 [kg/kmol]

172,5(10%) X [kg/h]

h

kgX

kmol

kg

xh

kgx

kmol

kg

X

O

O

138

4

10517232

2

2

),(,


Aire

O2 + N2


138 X [kg/h]

h

kgX

xh

kg

X

N

N

462

230

770138

2

2 .

).(

h

kgW

h

kg

h

kgW

XXW

aireH

aireH

NOaireH

600

462138

2

2

2 22

h

kgW

h

kg

h

kg

h

kgW

WWsWcW

TOTALaire

TOTALaire

HTOTALaire

432350

60043301720

2

,

,

Calculo relación Aire-Combustible

Aire seco:

22 NO

Aire %......

%......

77

23

2

2

H

O

Combustible:

Peso

Hidrogeno (2H ) 10%

Carbono (C) 86%

Azufre (S) 4%

100%

Composición

Combustible

Reacción de

combustión

Moles Comburente Gases de

combustión

Elemento %

(Kg)

Oxidación n nO2 Componente Moles

C A C+O2 CO2

(1:1: 1)

CO2 nCO2=nC

H2 B H2+½O2

H2O

(1:½ 1)

H2O nH2O=nH2

S D S+O2 SO2

(1: 1: 1)

SO2 nSO2=nS

nGc=∑ni

Reacción de combustión:

OyHxCONOSHC at 22222612 )(

OyHxCONOSHC at 22222612 763 ).(

Relación porcentual de nitrógeno / oxigeno: 79/21=3.76

).( 222612 763 NOSHC at

ObHSHC 22612 4410586 ..

ObHSHCNOaSHxC 22612222612 4410586763 ..).(

693226

20758612

0121797632

.

..

.*.

bbxH

yxC

aaN

La reaccion queda:

OHSHCNOSHC

ObHSHCNOaSHxC

22612222612

22612222612

69344105867630121207

4410586763

...).(..

..).(

La ecuación de combustión para 1 Kmol de combustible se obtiene al

dividir la ecuación anterior entre 7.20

OHSHCNOHC

dividiendo

OHSHCNOSHC

22612222612

22612222612

135504410112763912

69344105867630121207

...).(.

...).(..

222222612 763130112763912 NOHCONOHC at..).(.

La relación aire combustible se determina tomando la proporción entre la masa

del aire y la masa del combustible:

Para encontrar el porcentaje de aire teórico se necesita conocer la cantidad de

aire teórico, que la determinamos con la ecuación de combustión teórica del

combustible:

ecombustibl

aire

ecombustibl

aire

Kg

KgAC

kmolkgkmolkmolkgkmol

kmolkgkmol

m

mAC

0617

2131212

297640121

.

)/)(()/)((

)/(*).*.(

222222612 763130112763912 NOHCONOHC at..).(.

5185612 ..at

Porcentaje de aire teórico: taire

realaire

taire

realaire

N

N

m

m

..

..

..

..

%.

.*.

.*.

..

..

..

..

5113

764518

7640121

taire

realaire

taire

realaire

m

m

kmol

kmol

m

m

Se utilizo un 13.5% de exceso de aire durante el proceso de combustión,

existiendo una relación adecuada de A/C que esta determinada por los fabricantes entre

el 10 y 15 % para una combustión completa, en el caso de calderos nuevos.

Capitulo 2

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