APUNTES PREPARADOS POR: JULIAN I. SALAZAR MORALES

CARRERA: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL (ESIQIE)

ASIGNATURA: GENERADORES DE VAPOR

SEMESTRE : QUINTO

ACADEMIA : DISEÑO E INGENIERIAS DE APOYO

GENERADORES DE VAPOR

TEMA

GENERACION DE VAPOR PARA LA INDUSTRIA DE

PROCESO

FACTOR DE EVAPORACION

Factor de evaporación es la relación que existe entre la evaporación nominal, desde y a 100 °C ( desde y a 212 °F) y la evaporación real bajo las condiciones efectivas de trabajo de la caldera.(PRESION Y TEMPERATURA)

Factor de Evaporación = Evaporación Nominal Evaporación Real

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

Ejemplo: Si se requiere 9100 Kg/hr ( 20,000 Lbs/hr ) efectivos de vapor, trabajando a 9.14 Kg/cm ( 130 Lbs/pulg ) de presión, y alimentar a la caldera con agua de 60°C (140°F) su factor de evaporación (según tabla) será F = 1.118 . Por lo tanto se va a requerir de una caldera con capacidad nominal de : 9100 Kg/hr x 1.118 = 10,174 Kg/hr 20,000 Lbs/hr x 1.118 = 22,360 Lbs/hrO sea también : 10,174 Kg/hr = 650 caballos caldera 15.65 Kg/hr

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

2

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

Evaporación Real ( de operación ), para referirnos a la evaporación efectiva, bajo condiciones de presión manométrica de acuerdo a la altitud del lugar de operación de la caldera y con agua de alimentación con una temperatura efectiva en el momento de estar en operación.

Para transferir las capacidades reales a las equivalentes, que son las que proporcionan los fabricantes, interviene el concepto Factor de Evaporación. que es la relación que existe entre la evaporación equivalente y la evaporación real, bajo cualquier condición de operación

Deberá tenerse presente que las capacidades que se mencionan con capacidades máximas, es decir la máxima dotación de combustibles que puede admitir una caldera

LA EVAPORACION ES LA MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE UNA CALDERA

2 2

Si llamamos: Fe = Factor de evaporación WE = Evaporación equivalente Wr = Evaporacion Real

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

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

Ejemplo : Una caldera tiene una capacidad de 950 Kg / h, desde y a 100 °C pero en la practica operara a una presión manométrica de 9.14 Kg/cm manométricos y con agua de alimentación de 60 °C

El factor de evaporación ( ver tablas), es de 1.118 la evaporación real será:

Wr = WE = 950 = 850 Kg Fe 1.118 h

2

Ejemplo: Si una caldera tiene una capacidad de 2070 Lbs/h desde y a 212 °F pero en la practica operara a una presión manométrica de 110 psi con agua de alimentación de 140°F.El factor de evaporación (ver tablas ) es de 1.115

Wr = WE = 2070 = 1856 Lbs Fe 1.115 h

Si dividimos entre 15.65 Kg/h o´ 34.5 Lbs/h nos dara el numero de caballos correspondiente.

Ejem: WE = 950 (kg/h) :. CC = 950 = 60 15.65 WE = 2070 Lbs/h :. CC = 2070 = 60 34.5

Ejemplo: dada una necesidad total de 1080000 Kcal/h (4300000 Btu/h) en una planta industrial, la capacidad equivalente en caballos caldera necesaria para satisfacer dicha necesidad total será:

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

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

Tabla de factor de evaporación

EJERCICIO :

Una caldera produce vapor y tiene una superficie de calefacción de 4000 ft . Trabaja a 190 % de carga. Se desea conocer la cantidad de calor comunicado al fluido.

Q = 33.5 * S * R = 33.5 * 4000 * 190 = 25,460 , 000 BTU / h

2

Ejercicio :Una caldera tiene una superficie de calefacción d 2400 pies y trabaja a 150 por ciento de carga, calcular el calor que recibe el fluido.

Q = 2400 x 34.5 x 970.3 x 150 = 12´ 051,126 BTU / h 10 100

Q = 2400 * 33.5 * 150 = 12´060,000 BTU / h

Ejercicio:Una caldera tiene una superficie de calefacción de 1000 pies y trasmite al fluido 6´000,000 BTU / h. Calcular el Porciento de carga a que trabaja la caldera:

R = 6´000,000 x 100 = 179% 1000 x 33,500 10

2

2

Problema .- Que superficie de calefacción necesitamos para producir 30000 Lbs de vapor / h, a las condiciones Std., pudiendo trabajar la caldera a 200% de carga.

Problema.- Que superficie de calefacción necesita una caldera capaz de trabajar a 250 por ciento de carga para transmitir 10´000,000 BTU / h.

Problema:- Una caldera de tubos de agua rectos, tiene 14 hileras de tubos de alto por 20 hileras a lo ancho y de 18 pies de largo. El diámetro exterior de los mismos es de 4 pulg. Y puede trabajar a 175 por ciento de carga. Calcular:a) Superficie de calefacción b) Su capacidad en caballos caldera a) Cantidad de calor que transmite x hora

ECONOMIZADOR.-

1.- SE INCREMENTA LA EFICIENCIA TERMICA DE LA CALDERA LO QUE REDUNDA EN UN AHORRO DE COMBUSTIBLE POR KG. DE VAPOR GENERADO.

2.- SE REDUCE LA EMISION DE GASES CALIENTES A LA ATMOSFERA.

3.- SE ALIMENTA AGUA CALIENTE A LA CALDERA REDUCIENDO EL SHOCK TERMICO

4.- SE LIBERA CAPACIDAD CALDERA PARA PRODUCIR VAPOR ADICIONAL PARA PROCESO

5.- EN INSTALACIONES DE CALDERAS DE TUBOS DE HUMO EL PROMEDIO DE AHORRO DE COMBUSTIBLE VARIA DE 2 A 4%.

ES BASICAMENTE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR QUE SE COLOCA EN LA CHIMENEA DE UNA CALDERA PARA TRANSFERIR EL CALOR CONTENIDO EN LOS GASES DE COMBUSTION AL AGUA DE ALIMENTACION A LA CALDERA, ESTO OFRECE LAS SIGUIENTES VENTAJAS:

El agua de alimentación es calentada en el economizador hasta muy cerca de la temperatura de ebullición.

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

Los gases de combustión del hogar pasan primero por la caldera y el sobrecalentador y después por el economizador

ECONOMIZADOR.-

EL ECONOMIZADOR

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

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

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

El agua de alimentación es calentada en el economizador hasta una temperatura muy cercana a la de ebullición.( la correspondiente a la presión del agua de la caldera).

El proceso en los tres aparatos es ISOBARICO, pues todos están a la presión 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.

LOS RECALENTADORES DE VAPOR SON APARATOS

QUE SIRVEN PARA RECALENTAR EL VAPOR QUE YA HA

TRABAJADO EN UNA TURBINA. ESTE APARATO SE

COLOCA POR LO GENERAL DESPUES DE LA CALDERA.

CALOR COMUNICADO AL FLUIDO EN UN GENERADOR

P

V

b 1 v.. .S ECONOMIZADOR CALDERA SOBRECALENTADOR

VAPORIZACION

Liq. saturado

Vapor saturado

Qe Qc Qs

Qv = W ( Hs – Hb )

HsHvH1HbV´

Qe = W (H1-Hb)

Qc = W (Hv – H1)

Qs = W (Hs – Hv )

PROCESO ISOBARICO

b = Alimentación del agua a la calderab1 = Calentamiento del agua dentro de caldera

1v = Vaporización en la calderaVS = Sobrecalentamiento en el sobrecalentador

w

T

ɸ

.. . ..b

S

VV´1

PROCESO QUE SIGUE EL FLUIDO EN UN GENERADOR DE VAPOR

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.

Hb = Entalpia del agua de alimentación al entrar a la caldera

Hv´ = Entalpia del vapor al salir de la caldera (generalmente calidad de 98 o´99 % seco).

POR LO TANTO EL CALOR COMUNICADO AL FLUIDO :

EN EL ECONOMIZADOR Qe = W ( H1 – Hb )

1

1

EN LA CALDERA Qc = W (Hv - H1 )

EN EL SOBRECALENTADOR Qs = W ( Hs – Hv )

EL CALOR TOTAL COMUNICADO AL VAPOR :

Qv = Qe + Qc + Qs = W ( Hs – Hb ) = BTU /h o´Kcal /h

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

Qv = W ( Hs – Hb ) Sin economizador

Hb = T agua ºF – 32 = BTU/Lb Hb = T agua º C – 0 = Kcal / Kg

Aliment.

Entalpía.- Es la cantidad de calor total que tiene la unidad de peso de un fluido, en su estado liquido ó en su fase de vapor. Kcal/kg ó BTU / Lbs . Se consignan en tablas de propiedades termodinámicas de los vapores.

Rendimiento del generador de vapor: η = Qv / Qh :. Qh ˃ Qvg

Problema 1.- En una caldera sin sobrecalentador el agua de alimentación entra a 100°F . La presión es de 160 PSI y el vapor sale con 98 por ciento de calidad. Calcúlese la cantidad de calor que recibe el fluido por hora si el agua de alimentación es de 5500 lbs / hr.

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

Problema 3.- a) Que capacidad, en caballos caldera.b) Superficie de calefacción del problema 1, si trabaja a 175 por ciento de carga.

Problema 4.-a) Que capacidad, en caballos caldera si se trabaja al 150 porciento de carga, para el problema 2.

CALOR COMUNICADO AL FLUIDO EN UN GENERADOR DE VAPOR

Qe Economizad

or

Qc Caldera

Sobrecalentador

Precalentador de aire HORNO

W WVAPOR SATURADO

AGUA CALIENTE

T1 H1

TbHb

AGUA CALIENTE

COMBUSTION

CcAIRE

ATMOSFERICO

CHIMENEA

GASES A LA ATMOSFERA

( wg ) GASES DE COMBUSTION

AGUA VAPORSOBRECALENTADO

Qv

Hs Ts

Hv Tsat

Wg PCSPCI

Qh Th

Qh= Calor producido en el horno BTU / h ó Kcal / h.

Qh= PCS X Cc

Cc= CONSUMO DE COMBUSTIBLE Kg / h ó Lb / h

GASES DE COMBUSTIONPv Pv

ηg = Rendimiento térmico del generador

ηg = Calor aprovechadoCalor suministrado=

W ( Hs – Hb )

PCS * Cc

Qv

Qh

Qv = Qe + Qc + Qs = W ( Hs – Hb ) con sobrecalentador

Qv = W ( Hv – Hb ) sin sobrecalentador

=

Qv= CALOR APROVECHADO

Qs

RENDIMIENTO DE UN GENERADOR

ηg = Qv / ( PCS * C.c )ηg = W ( Hb – Hb ) / PCS* C.c.ηg = 335 * CC * R / PCS * C.cηg = 33.5 * S * R / PCS * C.c

CALOR LIBERADO EN EL HORNOEl calor que recibe el fluido proviene del horno, y se debe a la oxidación del combustible, como el Generador de vapor tiene perdidas, el combustible tiene que producir o Liberar una cantidad de calor Qh mayor

que Qv. ηg = Qv Donde: Qv = calor total recibido por el fluido Qh en el generador Qh = Calor que libera el combustible = Kcal / hr o´BTU / hr

ηg = Rendimiento del generador de vapor

:. Qh ˃ Qv

Calculo del consumo de combustible en un generador de vapor

W = Cantidad de vapor producido por unidad de tiempo Hs = Entalpia del vapor al salir del generador Hb = Entalpia del liquido al entrar al GV

Si la producción de vapor del GV en porcientos de carga de la caldera entonces: C.c = (C.C.) R * 33,500

100 ηg ( P.C.S)

C.c. = QhP.C.S

C.c. = W ( Hs- Hb )

ηg P.C.S

Donde: P.C.S = Poder Calorífico del Combustible Kcal / Kg comb. o´ BTU / Lb comb. C.c. = Consumo de Combustible = Kg / hr. o´ Lb / hr.

Problema: En un generador de vapor el agua entra a 180°F. y sale vapor de 360 lbs /pulg y 600 °F. de temperatura. El generador produce 7,000 lbs de vapor por hora y el rendimiento del mismo es de 75%,consume petróleo de 18,800 BTU/lb . Calcular :a) EL calor liberado en el Hornob) El consumo de combustible por horaDatos: P = 360 psi ; Hb = 180°F – 32°F = 148 BTU/lb ; Hv = 1,204.1

Ts= 600°F; Hs= 1,310.1 BTU/lb ; ηg = 75% ; PCS = 18,800 BTU/lb

Solucion:c) Qc = W ( Hv- Hb ) = 7,000 ( 1,204.1 – 148 ) = 7000 (1056.1)

= 7´392,700 BTU/hd) Qv = W ( Hs- Hb) = 7000 ( 1,310.1 – 148) = 8´134,700 BTU/h

C.c = Qv / ηg PCS = 8´134,700 / .75 x 18,800 = 576.93 Lb/ h

Qh = Qv / ηg = 8´134,700 /.75 = 10´846,266.67 BTU/h

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Petróleo

Problema : Una caldera trabaja a 175 por ciento de carga, tiene 2430

pies de superficie de calefacción y consume petróleo de 18800 BTU/lb., con un rendimiento de 70%. Calcular el consumo de combustible.Datos:R = 175% ; S = 2430 ft , PCS = 18800 Btu/lb ; ηg = 70%; C.c. = ?

ηg = 33.5 x S x R PCS x C.c.

C.c. = 33.5 x S x R = 33.5 x 2430 x 175 PCS x ηg 18,800 x 0.70

= 14´245,875 = 1082.51 Lb/h 13,160

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