diseño de calderas

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 (NO 3)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 CO 3HNa 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:

Wc Qe

(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

( qentra

qsale ) ( wentra

wsale )

he

hi ...(kJ / Kg )

(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): wbomba,en

h2

h1

(3.3)

o,

wbomba ,en

v( P2

P1 )

(3.4)

Donde,

h1

h f @ P1 .....y.....v v1

Caldera (w = 0): qen

h3

Turbina (q = 0): wturb,sal Condensador (w = 0): q sal

v f @ P1

(3.5)

h2 h3 h4 h4 h1

(3.6) (3.7) (3.8)

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

t

wneto q en

1

q sal q en

(3.9)

Donde, wneto

q en

q sal

wturb,sal

wbomba ,en

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:

HPB

W s hsalida 15,44 h fg @0ºC

hentrada

W s Caudal..Masico..Steam h fg @0ºC valor..de..tablas 597.27 W s

650Kg / h

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 = ?

hentrada P 1 kg

cm 2 t 70º C hls ? hls Entalpia..Liquido..Subenfriado 1

70

dh

cp dt

0

0

cp 1 h 70 kcal kg

Propiedades termodinámicas en el punto salida P= 4kg/cm2 T= Cpagua= 1 kcal/ kg K hsal= 653,72 kcal/ kg

ver tabla

hsalida P

4 kg

cm 2

x 1 hg

653.9 kcal

Kcal Kcal 70 Kg Kg Kcal 15.44 597.27 Kg 41.156.Hp B 650

HPB HPB

Kg h

kg 653.9

La potencia de diseño tiene que ser superior a la potencia de trabajo por lo tanto se toma un 20% mas aproximadamente.

2

Pot.diseño 50 Hp B

2 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

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.

W s

HPB 15,44 h fg @0º C hsalida

hentrada

Kcal Kg Kcal Kcal 653,72 70 Kg Kg Kg Kg 789.68 790 h h 50HPB 15,44 597,2

W s

W s

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

Diam. Ext. Diámetro nominal NPS

Cedula 40 Grosor Pared

pg

Presión Int. Trab.

Peso Aprox.

mm 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

L

0,048 HPB

0,3

L 0,048 50Hp L 2,7m

0,3

Área de cada tubo

A

* D* L

A

* 0.0603m * 2.7m

A 0.511m2 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:

Area de calefacción

0,465 HPB

Area de calefacción

23,246m 2

0,004

2.8.2.5 Estudio del número de tubos.

3 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008 4 Bernal Bolívar, Calculo de Equipo, Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, CuencaEcuador 2006

# de tubos # de tubos # de tubos

Area de calefacion Area externa de los tubos 23,246m 2 60 10 3 2,7 m 2 45,42 46..tubos

Este numero de tubos se puede aumentar o quitar dependiendo del diseño sobre el cual se trabaja.

Calculo peso total tubos.

V

A* L * e

V ( * 0.0633) * 2.7 * ( 3.91 * 10 3 ) V 2.099 * 10 3 m 3 P m*  P V* P 2.099 * 10 3 * 7200 P 15.115Kg ..c / tub peso..total..tubos 15.115 * 46 peso..total..tubos 695.32Kg

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.

d 0 = 60,32 mm 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

esta cota constituye el diámetro externo del tubo

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 HPB , 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. hogar

42.5% diametro..espejo

hogar

0,425 1,06 m

hogar

0,477m

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

5 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008 6 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

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.

altura 20% diametro..espejo altura 0,2 1,06m altura 0,212m.

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.

W S

789,68 kg h

.agua 1000 kg

m3

Caudal Volumétrico:

Q

Ws

790 kg h 1000 kg 3 m 3 m Q 0.790 h Q

Del caudal total requerido en el sistema, se determina el volumen necesario para suministrar en 20 min. Tengo:

VH 2O

0,26323m3

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:

VTanque VTanque

0,26323m3 x100% 70% 0,375m3

De las dimensiones de este tanque, la relación es

Relación entre longitud y diámetro L

3

l d

3 entonces obtenemos:

L 3 xD xD2 V xL 4 xD2 V x3 xD 4 3 V x .xD3 4 4 VT D 3 3 4 0.375m3 D 3 0,5424m 3

Longitud del tanque:

L 3xD L 3x0.54m L 1,627m

2.8.2.11 Estudio de a potencia de la bomba de agua: Parámetros Caudal volumétrico (Q) Densidad ( )

Trabajo bomba (hw) Rendimiento bomba Factor de corrección para pasar a CV

m3 790 seg 3600 Kg m3 Kgm Kg =0,75 CV (75)

Q

Pot Bomba

hw 75

WS

Qx

WS

( 790 / 3600)..para..pasar..de..

Kg Kg ..a.. h sg

Ws

hw 75 Kg 0.219 hw h 0.75 75 0.0039xhw

Pot Bomba

Pot Bomba Pot Bomba

2.8.2.12 Estudio del trabajo de la bomba (hw)

Se aplica bernoulli entre 1 y 2

Z1 z U P hf

U 12 P1 U 22 P2 hw Z 2 2 g 2 g car .ga..potencial velocidad P.resion peso..especifico perdidas..por..rozamiento

hf

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

Z1

Z2

hw

P2

hw

P1

5 x10 4 1000

hf 1x10 4 1000

Calculo de perdidas

hf

f*

U2 L * 2g

D=40,1mm

L D

E

hf

Las perdidas ocasionadas por los accesorios y longitud de tubería se calculan a continuación: L=2,5 para tubería recta

L

E

2 x10 =20 (2 válvulas perdidas en accesorios) 1x15 = 15 (1 válvulas check perdidas en accesorios)

L

E

=

35

L

L

E

35 2.5

L

L

E

37.5

Para determinar el factor de fricción

determino

Numero de Reynolds U 12 2 g

practicamente despreciable. 0

U 12 2 g

practicamente despreciable. 0

FIGURA 2.14 Diagrama de Flujo de Vapor

Cálculo de reynols.

R.e

4 * Ws * D*

Kg s R.e * 0.0401m * 1x10 3 N .s / m2 R.e 6953 4 * 0.219

Calculo Velocidad Cálculo de u

u

4 Q D m2 s * 0.0402 m m 0.17 s 4 * 2.19 E

U U

4

Rugosidad relativa

D D

0.0018" 1.25" 0.00144

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

f

0.038

hf

u2 2 g

f

L.euqivalente

L

D

m sg 0.038 m 2 9.81 2 sg 0.052m 0.172

hf

hf

2.5m 35m 0.0401m

Kg Kg 10000 2 2 m m hw Kg Kg 1000 3 1000 3 m m Kgm hw 40.052 Kg 50000

3

Pot Bomba

3,9 10

Pot Bomba Pot Bomba

0,156 CV 7..GPM

40.052

0.052m

Kgm Kg

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:

potreal

potBomba * 200%

potreal

13..GPM

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

7200kcal

Densidad

920 kg

Temperatura

kg

m3

25ºC

Calor que necesito para elevar la entalpía del punto 1 al 2: q W S hs

he

hs

entalpia de salida

he

entalpia de entrada

653,9 kcal

kg 69,927kcal

kg

qnec

Ws( hsal

qnec

790

qnec

hentr )

kg Kcal ( 653.9 h kg Kcal 461138,79 kg

70

Kcal ) kg

Calor que debe dar el combustible: WCOMBUSTIBLE Cp

q.fuel

WCOMBUSTIBLE

q Cp

balance..de..energia..calorico Ws( hsal W fuel

hentr ) W fuel xCp Ws( hsal hentr ) Cp

Kcal kg Kcal 7200 kg Kg 64.04 h Kg Kcal 64.04 * 7200 h kg Kcal 461138,8 kg 461138,79

W fuel

W fuel q. fuel q nec

2.8.2.14 Caudal volumétrico del combustible

q. fuel

W . fuel . fuel Kg h m3 920 Kg

64.04 q. fuel

q. fuel

m3 x1000..para..pasar..a..litros h 69.6..litros..por..hora

q. fuel

69.6 / 3.75..para..pasar..a..galones

q. fuel

18.54.GPH

q. fuel

0.0696

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:

QCOMBUSTIBLE

18,54GPH

2

QCOMBUSTIBLE

37.08GPH

40GPH

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.

7 Bernal Bolívar, Memorias de la Cátedra de Operación de Calderos, Universidad de Cuenca, Facultad de ciencias Químicas, Cuenca-Ecuador 2008

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

N

79

14kg/kmol

o

El caudal másico es:

Q

40GPH

Q 187.5 E Ws

3

m3 h

Qxp

Ws 187.5 E W COMBUSTIBLE

m3 kg x920 3 h m kg 172,5 h

3

Calculo del flujo másico del aire para el carbono WC. WCaire

X O2

X N2

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

C

+

O2

12

32

[kg/kmol]

172,5(86%)

X

[kg/h]

kg kg x172,5 x( 0.86) kmol h kg 12 kmol kg 395,6 h 32

X O2

X O2

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

Aire

O2

+

N2

23

77

% composición del aire

395,6

X

[kg/h]

kg x( 0.77) h 0.23 kg 1324,4 h 396,6

X N2 X N2

WCaire WCaire WCaire

X O2

X N2

kg kg 1324,4 h h kg 1720 h 395,6

Calculo del flujo másico del aire para el Azufre WS. W Saire

X O2

X N2

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

S 32

+

O2 32

[kg/kmol]

172,5(4%)

X

[kg/h]

kg kg x172,5 x( 0,04) kmol h kg 32 kmol kg 7 h 32

X O2

X O2

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

Aire

O2

+

N2

23

77

% composición del aire

7

X

[kg/h]

kg x( 0.77) h 0.23 kg 23,43 h 7

X N2 X N2

WCaire

X O2

WCaire

7

WCaire

X N2

kg kg 23,43 h h kg 30,43 h

Calculo del flujo másico del aire para el Hidrogeno WH2.

W H 2 aire

X O2

X N2

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

2H2

+

O2

4

32

[kg/kmol]

172,5(10%)

X

[kg/h]

kg kg x172,5 x( 0,1) kmol h kg 4 kmol kg 138 h 32

X O2

X O2

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

Aire

O2

+

N2

23

77

% composición del aire

138

X

[kg/h]

kg x( 0.77) h 0.23 kg 462 h

138 X N2 X N2

W H 2 aire

X O2

W H 2 aire

138

W H 2 aire

X N2

kg kg 462 h h kg 600 h

WTOTALaire Wc Ws W H 2 kg kg kg 30,43 600 h h h kg 2350,43 h

WTOTALaire 1720 WTOTALaire

Calculo relación Aire-Combustible

Aire seco:

O2

N2

Aire

O2 ......23% H 2 ......77%

Combustible: Peso Hidrogeno ( H 2 )

10%

Carbono (C)

86%

Azufre (S)

4% 100%

Composición Reacción de Combustible combustión Elemento % Oxidación (Kg) C A C+O2 CO2 (1:1: 1) H2

B

S

D

Moles

Comburente

n

nO2

H2+½O2 H2O (1:½ 1) S+O2 SO2 (1: 1: 1)

Gases de combustión Componente Moles CO2

nCO2=nC

H2O

nH2O=nH2

SO2

nSO2=nS nGc=∑ni

Reacción de combustión:

C12 H 26

S

at

( O2

N2 )

C12 H 26

S

at

( O2 3.76 N 2 )

xCO2

yH 2 O

xCO2

yH 2 O

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

C12 H 26

S

at

( O2

3.76 N 2 )

86.5C12 xC12 H 26

S a( O 2

3.76 N 2 )

86.5C12 10.4 H 26

3.76 * a

N2

79

C 12 x 86.5 H

26 x

10.4 H 26

a y

4S

bH 2 O

4 S bH 2 O

21.01

7.20

b 93.6

2b

La reaccion queda:

xC12 H 26

S a( O2

7.20C12 H 26

3.76 N 2 )

S 21.01( O2

86.5C12 10.4 H 26

3.76 N 2 )

4S bH 2 O

86.5C12 10.4 H 26

4S 93.6 H 2 O

La ecuación de combustión para 1 Kmol de combustible se obtiene al dividir la ecuación anterior entre 7.20

7.20C12 H 26

S 21.01( O 2

3.76 N 2 )

86.5C12 10.4 H 26

4 S 93.6 H 2 O

dividiendo C12 H 26

2.91( O 2

3.76 N 2 )

12.01C12 1.44H 26

0.55S 13H 2 O

C12 H 26

2.91( O 2

3.76 N 2 )

12.01CO 2 13H 2 O 3.76 at N 2

La relación aire combustible se determina tomando la proporción entre la masa del aire y la masa del combustible:

AC

maire

( 21.01* 4.76kmol ) * ( 29kg / kmol ) ( 12kmol )( 12kg / kmol ) ( 13kmol )( 2kg / kmol )

mcombustible Kg aire AC 17.06 Kg 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:

C12 H 26

2.91( O 2

3.76 N 2 )

12.01CO 2 13H 2 O 3.76 at N 2

at 12 6.5 18.5

Porcentaje de aire teórico: maire..real maire..t maire..real maire..t

maire..real maire..t

N aire..real N aire..t

21.01 * 4.76 kmol 18.5 * 4.76 kmol 113.5%

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.