Relaciones fundamentales (1)

RELACIONES FUNDAMENTALES

1ING. RAUL GUERRERO MORENO

Relaciones fundamentales en un generador de vapor La capacidad de producción o la potencia de

una caldera puede expresarse en HP (HPcaldera), kG/hr (o lb/hr) de vapor producido, kcal/hr (Btu/hr) de calor absorbido y, para calderas de centrales térmicas la capacidad de generación tan grande puede darse en megawatios.

También puede darse la capacidad de una caldera en términos de la superficie de calefacción, en metros cuadrados o pies cuadrados.


Superficie de calefacción

Es la superficie metálica que está en contacto por un lado con los gases calientes y por el otro con el agua o vapor. Se mide del lado de los gases en m2 o en pies2.


Capacidad de producción de una caldera

Q= ms(h – hf) En donde: Q= producción de la caldera en kcal/hr ms = peso del vapor producido por la caldera en

kg/hr h=entalpia del vapor a la presión y calidad o temperatura

a la salida de la caldera o generador de vapor en kcal/kg hf=entalpía del agua de alimentación a la temperatura

que llega dicha agua a la caldera en kcal/kg


Potencia en HP caldera

Un HPcaldera equivale a la vaporización de 15.66 kg de agua por hora a vapor seco a 1000C a partir de una temperatura del agua de 1000C y la presión atmosférica normal.

Asi mismo un HPcaldera equivale a 8510 kcal/h o también

Un HP caldera equivale 0.93m2 de superficie de calefacción. Esto es el calor que se transfiere al agua a través de una superficie de calefacción de 0.93m2.

HPcaldera = ms(h – hf)/8510

En donde ms,h y hf tienen el significado ya anotado anteriormente


Otras unidades de capacidad de producción de una calderaFactor de vaporización: es la relación entre el calor

absorbido por un kg. de agua de alimentación en las condiciones a que trabaja la caldera a el calor absorbido por un kg. de agua a 1000C al vaporizarla a 1000C.

F.V= (h – hf )/543.4 (adimensional)Vaporización equivalente: se define como los kg/h de agua a

1000C que se vaporizarían a 1000C si se hubiese absorbido la misma energía que en las condiciones a que trabaja la caldera.

V.E= ms(h – hf)/543.4 (kcal/kg)


Potencia NominalTodas las calderas pequeñas están basadas en 0.93m2 de

superficie de calefacción por HPcaldera. Según lo anterior todas las calderas que tengan la misma superficie de calefacción tienen la misma potencia nominal.

Cn= S/K en donde: Cn= capacidad nominal S= Superficie de calefacción (en m2 o pie2 ) K= 0.93 m2/H.Pcaldera o 10 pie2/H.PcalderaLa potencia nominal no expresa las limitaciones de

capacidad de las calderas de hoy día, ya que la mayoría de las calderas de las centrales térmicas pueden desarrollar del 400 al 600% de su capacidad nominal


Por ciento de carga de una caldera (R)

Se llama por ciento de carga a la relación entre el calor que se transmite por hora y el que se debería transmitir de acuerdo con su superficie de calefacción a razón de 8510 kcal/h H.Pcaldera o bien 33500Btu/h H.Pcaldera

R=[ms(h – hf)K/8510(S)] o

R=[ms(h – hf)K/33500(S)]


Rendimiento Global (eficiencia térmica)

A la relación entre el calor transmitido y el calor suministrado por el combustible se le conoce como eficiencia térmica () o rendimiento global.

= [ms (h – hf)/mfxF]x100En donde:

mf= peso del combustible quemado en Kg/hF = Poder calorífico superior del combustible en kcal/h


Balance térmico de un generador de vapor

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 % o bien en Btu/lb y en %. Los conceptos que se consideran son los siguientes:


Calor absorbido por el generador de vaporEl calor absorbido por el generador de vapor

(incluyendo economisador y sobrecalentador en caso de utilizarlos), puede calcularse de la siguiente manera:

H1=ms/mf[(h2 – h1)]H1 = calor absorbido por el agua y vapor por kg de

combustible tal como se quema en kcal/kg

h2= entalpía del vapor a la salida de la caldera en kcal/kg

h1= entalpía del agua de alimentación a la entrada de la caldera en kcal/kg


Pérdidas caloríficas debidas a la humedad del combustibleLa humedad del combustible se vaporiza y abandona la

caldera en forma de vapor sobrecalentado. La presion 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´)

H2= pérdidas de calor en kcal/kg

Mm= humedad del combustible en kg/kg o %h”= entalpía del vapor sobrecalentado a una presión abs. 0.07

kg/cm2 y temperatura de los gases en kcal/kg.h´= entalpía de liquido saturado a la temperatura a que entra el

combustible en el hogar en kcal/kg.


CALOR PERDIDO POR LA COMBUSTIÒN DEL HIDRÒGENO El hidrógeno del combustible al quemarse

se transforma en agua, la que abandona la caldera en forma de vapor sobrecalentado.

H3=9HY(h” – h’)

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


Calor perdido por humedad del aireEste calor perdido es pequeño y se calcula de la siguiente

manera :

H4= mvcm(Th – Ta)

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) multiplicado por el peso de aire seco empleado por Kg. de

combustible tal como se quema.

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

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

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


Calor perdido con los gases secos de la chimeneaEsta pérdida es la mas importante y se calcula asi:

H5= mdhcmh (Th – Ta)

mdh=[(4CO2 + O2 + 700)/3(CO2+ CO)]XC1

cmh = Calor especifico de los gases (0.24 Kcal/kgoC )

CO2, O2 y CO = % en volumen de estos gases

C1 =(mfcf – mrcr)/mfx100

Cf = carbono del combustible segun analisis elemental (%)

mr =residuos y cenizas en kg o en %

Cr =carbono contenido en mr en kg o en %

C1= carbono realmente quemado en kg o en %


Calor perdido por combustible gaseoso sin quemar

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)]X 5689.6C1

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


Calor perdido por combustible sin consumir contenido en cenizas y residuos

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

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


Calor perdido por hidrógeno e hidrocarburos sin consumir, radiación y otras pérdidas

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

H8 = PCS –(H1+H2 +H3 +H4 +H5+ H6+H7)

PCS = poder calorifico superior del combustible tal como se quema kcal/kg


Balance térmico por kg de combustible quemado

concepto Proc. cálculo kcal %Calor absor caldera H1=ms/mf[(h2 – h1)]

Humed. Combustible H2= Mm(h” – h´)

H2 del combustible H3=9HY(h” – h’)

Humedad del aire H4= mvcm(Th – Ta)

Gases en chimenea H5= mdhcmh (Th – Ta)

Combustión incomp H6=[CO/(CO2+ CO)]X 5689.6C1

Combustib en z y es H7=(8148mrcr)/mf

Perdidas por radiación varias

H8 = PCS –(H1+H2 +H3 +H4 +H5+ H6+H7)


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