PRÁCTICA No. 3 CALDERA PIROTUBULAR LABORATORIO DE TERMODINÁMICA. NRC: 63601 Jueves 1 pm-4 pm. Integrantes: Danniela Guizao García. Aura Taborda Acosta. Daniela Calderón Jessurum. Laura Forero Cardozo. Valentina Vallejo Carvajal. Docente: Alan Francis Joseph Hill Betancourt. UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA. Sede Medellín. 22/03/2018. 1. OBJETIVOS Realizar los balances de masa y energía en una caldera pirotubular. Conocer la metodología para el cálculo de eficiencia de combustión en la caldera. Hallar las pérdidas de calor en una caldera por aislamiento de esta y su eficiencia de combustión. Cuantificar la transferencia de calor en una caldera pirotubular para surtir de fluido las líneas de vapor. 2. RESUMEN Mediante la práctica de laboratorio se pretende determinar los balances de masa y energía en una caldera pirotubular que es un dispositivo de transferencia de calor que nos permite cambiar el estado del agua de líquido a vapor. Industrialmente, muchas plantas de producción utilizan vapor de agua, las aplicaciones más comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en fábricas y plantas, turbinas impulsadas por vapor para la generación de potencia eléctrica, la limpieza de materiales, la humidificación y demás procesos en los que se hace necesario la instalación de líneas de vapor que surtan los diferentes puntos de uso de dicho fluido. En este informe se presenta de manera general el fundamento teórico que describe el comportamiento y funcionamiento de la caldera pirotubular y permite cuantificar y analizar la transferencia de calor dentro de esta. 3. ABSTRACT Through laboratory practice, we intend to determine mass and energy balances in a shell boiler that is a heat transfer device that allows us to change the state of water from liquid to vapor. Industrially, many production plants use steam, the most common applications for steam are, for example, steam-heated processes in factories and plants, steam-driven turbines for the generation of electrical power, cleaning of materials, humidification and other processes in which it is necessary to install steam lines that supply the different points of use of said fluid. In this report, the theoretical basis that describes the behavior and functioning of the pirotubular boiler is presented in a general way and allows to quantify and analyze the heat transfer within it. 4. INTRODUCCION La caldera es una máquina generada por la ingeniería, que fue diseñada para producir vapor. Este vapor se forma a través de la transferencia de calor a presión constante, en el cual el fluido entra o es originalmente un líquido que luego se calienta y cambia de fase. Es un recipiente que debe soportar presiones, por lo cual es construido con acero laminado. Las calderas son muy utilizadas en la industria: De esterilización (Hospitales y Comedores) Generación de electricidad (Termoeléctricas) Para calentamiento de Fluidos Tipos de calderas: 1. Acuotubulantes: aquellas en que el fluido se mueve por los tubos durante el calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas. 2. Pirotubulantes: el fluido en estado líquido está en un recipiente atravesado por tubos a través de los cuales pasan gases a altas temperaturas. El agua líquida se evapora al contacto con los tubos calientes. Partes principales de la caldera Hogar o Fogón: es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de Cámara de Combustión. Puerta Hogar: Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se alimenta de combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control de fuego. Emparrillado: son piezas metálicas en formas de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al combustible sólido Cenicero: es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión Mampostería: Se llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o comunes que tiene como objeto: Cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor al exterior Conductos de Humos: es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos y los gases calientes que se han producido en la combustión Caja de Humo: Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea Chimenea: es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión hacia la atmósfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias a la comunidad Regulador de Tiro o Templador: Consiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma. Tiene por objeto dar mayor o menor paso a la salida de los gases y humos de la combustión. Cámara de Agua: Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Cámara de Vapor: es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. (Termodinamica FEEE, 2013) Las calderas pirotubulares como su nombre lo indica, en esta caldera el humo y los gases calientes circulan por el interior de los tubos y el agua se encuentra por el exterior. Estas calderas también son denominadas también igneotubulares o pirotubulares y pueden ser verticales u horizontales. Se caracterizan por disponer de tres partes bien definidas: Una caja de fuego donde va montado el hogar. Esta caja puede ser de sección rectangular o cilíndrica, es de doble pared, por lo que el hogar queda rodeado de una masa de agua. Un cuerpo cilíndrico atravesado, longitudinalmente, por tubos de pequeño diámetro, por cuyo interior circulan los gases calientes. Una caja de humos, que es la prolongación del cuerpo cilíndrico, a la cual llegan los gases después de pasar por el haz tubular, para salir hacia la chimenea. Estas calderas trabajan, casi siempre, con tiro forzado, el cual se consigue mediante un chorro de vapor de la misma caldera o utilizando vapor de escape de la máquina. (ABSORSISTEM, s.f.) A parte de lo anterior, para poder alcanzar los objetivos propuestos en esta práctica se necesitan tener claros los siguientes conceptos: Poder calorífico superior (pcs): La energía transferida en el enfriamiento después de una quema es igual a la energía liberada durante la combustión. El pcs aprovecha la energía de condensación del agua (el agua queda como líquido) por lo que se genera más calor. Poder calorífico inferior (pci): Es igual a la diferencia del poder calorífico superior del combustible y la entalpía de vaporización del agua producto de la combustión. El pci no aprovecha la energía de condensación del agua (el agua queda como vapor). Reacción de combustión La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que está en contacto con la sustancia combustible. La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente más habitual. (TODOESQUIMICA, 2012). 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 Relación aire-combustible en una combustión: 𝑚𝑎/𝑐 = 𝑛𝑎 . 𝑀𝑤𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑛𝑐 . 𝑀𝑤𝑐 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 Donde n son los moles de aire (a) y combustible (c) y Mw son los respectivos pesos moleculares. Relación de O2 en los gases de combustión y el exceso de aire: El aire de combustión proporciona el oxígeno necesario para la combustión. Está compuesto por nitrógeno (N2), oxígeno (O2), bajos volúmenes de gases inertes y una parte variable de vapor de agua. En algunos casos, se utiliza para la combustión oxígeno puro o una mezcla de oxígeno y aire. Los principales constituyentes del aire de combustión (con la excepción del oxígeno, que se consume durante la combustión) se encuentran en los gases de combustión. 5. MATERIALES Y METODOS 5.1 EQUIPOS UTILIZADOS Caldera pirotubular Una caldera es una máquina diseñada para generar vapor, el cual permite satisfacer demandas de calor en la industria o generar potencia mecánica y posteriormente eléctrica a partir de la expansión de este en una turbina. A groso modo, las calderas son dispositivos de transferencia de calor que permiten que el agua cambie de estado (de líquido a vapor) gracias a la energía sensible (es decir, por temperatura) de un fluido de trabajo. A una caldera se le llama pirotubular cuando los gases de combustión van por el interior de los tubos de intercambio de calor. Tienen la ventaja de almacenar gran cantidad de agua lo que permite fluctuaciones grandes en la demanda de vapor en el proceso. Estas calderas son de ejecución horizontal, con tres pasos de humos, hogar interior y cámara trasera de hogar refrigerada. Este tipo de caldera con producciones de hasta 30 T/h cubre prácticamente todas las necesidades de vapor industrial tanto por el alto rendimiento alcanzado como por su bajo coste, mantenimiento y simplicidad en su uso. (sogecal, 2016) Las calderas pirotubulares cuentan con una caja de fuego donde va montado el hogar y este hogar es rodeado por una masa de agua. Cuenta, además, con un cuerpo cilíndrico atravesado, longitudinalmente, por tubos de pequeño diámetro y en cuyo interior circulan los gases calientes. Finalmente, se tiene una caja de humos, la cual es la prolongación del cuerpo cilíndrico, a la cual llegan los gases después de pasar por el haz tubular, para salir hacia la chimenea. (absorsistem, s.f.) Analizador de gases de combustión (BACHARACH 450) El analizador BACHARACH 450 analiza la eficiencia de la combustión y de las emisiones ambientales de grado industrial que ha sido diseñado para efectuar pruebas de combustión en equipos que quemen combustibles fósiles. Características Mide y muestra el O2 y el CO en los gases de combustión, la presión (draft), la temperatura de aire primario y la temperatura de los gases de chimenea. Calcula la eficiencia de la combustión, el exceso de aire y el CO2. Muestra la temperatura ya sea en °C o en °F. Muestra la presión ya sea en pulgadas de columna de agua (inwc), milibares (mb), Pascales (Pa) o hecto Pascales (hPa). Almacena más de 1000 registros individuales de prueba de presión y/o combustión que después se pueden recuperar para visualizar o imprimir. Información Técnica El ECA 450 mide directamente y muestra en pantalla: El contenido de oxígeno en los gases de combustión en el rango de 0.1 a 20.9% de O2. Temperatura de gases de chimenea en el rango de -20 a 1315°C (–4 a 2400 °F). Aire primario en el rango de -20 a 999°C (–4 a 999°F). Presión en el rango de ±27.7 pulgadas de columna de agua (±69 mb). Contenido de Monóxido de Carbono en los gases de combustión en el rango de 0 a 4,000 ppm de CO (corregido para la presencia de Hidrógeno). Termopar de contacto Es un sensor para medir la temperatura. Se compone de dos metales diferentes, unidos en un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría, se produce una tensión que es proporcional a la temperatura. Las aleaciones de termopar están comúnmente disponibles como alambre. (omega, 2017) Flexómetro Este instrumento de medición es el más comúnmente usado en la gran mayoría de los procesos de manufactura y es mucho más conocido como simplemente metro. Básicamente es una cinta de acero templado enrollado dentro de una caja con un dispositivo que permite que esta siempre regrese dentro de la caja una vez efectuada la lectura de la medida. La cinta está grabada con los dos sistemas internacionalmente vigentes, el sistema métrico decimal y el sistema imperial de unidades. (IBERO, 2012) 5.2 Marco Matemático El balance de energía en generadores de vapor permite conocer cómo se distribuye la energía del fluido de trabajo (generalmente gases calientes liberados en un proceso de combustión), queriendo en todos los casos, que esa energía (calor) sea entregada principalmente al agua. De esta manera y despreciando las pérdidas de energía por inquemados tanto en las cenizas (carbono residual en las cenizas), como en los gases de combustión (hidrocarburos y monóxido de carbono) la energía entregada por el combustible a raíz de su combustión (Ecombustible) se distribuye en la energía absorbida por el agua (Eagua), la energía por energía sensible de los gases de combustión que salen por la chimenea (Egases), y la energía de pérdidas por pared de la caldera (Epared): 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = Eagua + Epared + Egases Balance de materia en la caldera: 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 + 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑚𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 Balance de energía: (suposiciones: estado estacionario, energía cinética y potencial despreciables, w=0, y Qpérdidas no despreciables) 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑃𝐶𝐼 = 𝑚𝑔𝑎𝑠 ℎ𝑔𝑎𝑠 + 𝑚𝑣𝑎𝑝 ℎ𝑣𝑎𝑝 + 𝑞𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑛 𝑃𝐶𝐼 = 𝐶𝑝𝑐𝑜𝑚𝑏 (𝑇𝑐𝑜𝑚𝑏 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) 𝑄𝑃 = ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 ∗ 𝐴𝑠 ∗ (𝑇 − 𝑇∞ ) Eficiencia de la caldera La eficiencia de la caldera se expresa como m vHv caldera m cPCI Si se divide la ecuación del balance de energía entre m cPCI se llega a m cPCI m cPCI 1 m cPCI m gHg m cPCI m gHg m vHv 1 m cPCI m v(hfg ) m cPCI Qp m cPCI m gHg m cPCI Qp caldera Qp m cPCI m cPCI De donde se obtiene que la eficiencia de la caldera está dada por caldera 1 m gHg m cPCI Qp m cPCI Q P hconv * As * (T T) Donde: hconv es el coeficiente de transferencia de calor por convección As es el área superficial de transferencia de calor (Tapas y Cuerpo de la caldera) T es la temperatura superficial de la caldera, puesto que la T no era uniforme se hará un promedio de las T medidas. T∞ es la temperatura del aire (temperatura ambiente) Rendimiento: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑔𝑎𝑙𝑐𝑜𝑚𝑏 Costo operación: 1310.73$ 𝑚3 16.04 𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝 ∗ ∗ ∗ ∗ 3 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 0.74 𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏 2 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝 18 𝑘𝑔 𝑣𝑎𝑝 Relación aire combustible: 𝑚𝑎/𝑐 = 𝑛𝑎 . 𝑀𝑤𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑛𝑐 . 𝑀𝑤𝑐 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 6. RESULTADOS Tabla 1. Datos Experimentales Datos experimentales Vinicial (m3) 971.22 Vfinal (m3) 974.58 Vconsumido 3.36 Tgases (K) 411.55 T agua (K) 300.95 T alrededores (K) 298.15 %O2 2.2 Diámetro Caldera (m) 1 Longitud Caldera (m) 2.5 Tabla 2. Datos de temperatura y caldera tomados en el laboratorio. Datos de la Caldera T1 (K) 311,65 Diámetro (m) 1 T2 (K) 312,35 Longitud (m) 2,50 T3 (K) 313,35 Área Tapa 1(m2) 0,785 T4 (K) 343,35 Área tapa 2 (m2) 0,785 T5 (K) 343,85 Área cilindro (m2) 9,42 T promedio (K) T ambiente 324,91 Área Superficial (m2) H convección (W/m2K) T referencia (K) 298,15 7,85 10 298,15 Tabla 3. Caudal de gas utilizado Combustible V inicial V final Q(m3/min) Densidad m(kg/min) 971.22 974.58 0.336 0.743 0.249648 Tabla 4. Cálculos de los flujos másicos y fracciones molares de la mezcla de gases Compuesto Combustible Oxígeno Nitrógeno Dióxido de carbono Agua Flujo Total Flujo másico (kg/min) 0.24965 0.10417 3.62110 0.68485 0.56067 4.97079 XO2 0.0210 XN2 0.7285 XCO2 0.1378 XH2O T(K) Mw mezcla (kg/kmol) Entalpía (kJ/kmol) Entalpía (kJ/kg) Tabla 5. Calculo de la eficiencia 0.1128 411.55 29.1735 3562.9573 122.1298 m gases (kg/min) m combustible (kg/min) Q paredes (KJ/min) PCI (KJ/Kg) 4.970786239 0.249648 126.1035291 39900 Hgases (KJ/Kg) 122.1297747 Eficiencia 0.926394154 % 92.63941542 Masa gastada de combustible (kg) Moles combustible (kmol) %Rendimiento Costo de Operación $/Kg vapor 2.49648 0.155611793 0.63165612 789.1932883 Indicar cómo se calcularía el consumo de agua (vapor generado) Puesto que se conoce la eficiencia de la caldera se puede despejar el valor del flujo másico del vapor, debido a que se conoce el flujo másico y el PCI del combustible queda una ecuación explicita, es decir, se conocen todas las variables, por lo tanto, solo se debe reemplazar en la ecuación. cómo afecta el exceso de aire la eficiencia El porcentaje de aire en exceso en la reacción de combustión que ocurre en la caldera ayuda a disminuir la temperatura de los gases de combustión, pero además existe una relación entre los valores de exceso de aire y eficiencia, de manera que cuando aumenta el exceso de aire, la eficiencia disminuye, es decir que la relación es inversamente proporcional. ABSORSISTEM. (s.f.). Obtenido de http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/pirotubulares absorsistem. (s.f.). absorsistem. Obtenido de 2016: http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/pirotubulares IBERO. (24 de Agosto de 2012). Obtenido de http://www.dis.uia.mx/taller_industrial/blog/?grid_products=flexometro omega. (2017). omega. Obtenido de https://es.omega.com/prodinfo/termopares.html sogecal. (2016). sogecal. Obtenido de https://www.sogecal.com/caldera-pirotubular/ Termodinamica FEEE. (16 de Junio de 2013). Obtenido de http://termoindustrial1ii132.blogspot.com.co/2013/06/definicion-de-caldera.html TODOESQUIMICA. (24 de Marzo de 2012). Obtenido de Reacciones de Combustion: https://todoesquimica.blogia.com/2012/032401-reacciones-de-combusti-n.php
