EJERCICIO : Una caldera produce vapor y tiene una superficie de calefacción de 4000 ft2 . 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 Ejercicio : Una caldera tiene una superficie de calefacción d 2400 pies2 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: 2 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 ECONOMIZADOR.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: 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%. 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 PROCESO ISOBARICO Vapor saturado . b 1 Hb H1 ECONOMIZADOR Liq. saturado VAPORIZACION V´ . CALDERA w . v S Hv Hs SOBRECALENTADOR Qc = W (Hv – H1) Qe Qc Qs Qs = W (Hs – Hv ) Qe = W (H1-Hb) Qv = W ( Hs – Hb ) b = Alimentación del agua a la caldera b1 = Calentamiento del agua dentro de caldera 1v = Vaporización en la caldera VS = Sobrecalentamiento en el sobrecalentador V PROCESO QUE SIGUE EL FLUIDO EN UN GENERADOR DE VAPOR T S . 1 b . . V´ V . . ɸ 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. 1 Hb = Entalpia del agua de alimentación al entrar a la caldera 1 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 ) 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 = Hb = T agua º C – 0 = BTU/Lb Kcal / Kg Aliment. Rendimiento del generador de vapor: ηg = Qv / Qh :. Qh ˃ Qv 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. 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 Pv W AGUA Tb Hb Qe Economizador AGUA CALIENTE Pv GASES DE COMBUSTION Qc Caldera VAPOR SATURADO VAPOR Qs Sobrecalentador Hv Tsat T1 H1 W sobre Hs Ts ( wg ) GASES DE COMBUSTION Precalentador de aire AIRE ATMOSFERICO AIRE CALIENTE Wg HORNO COMBUSTION Cc PCS PCI Qh Th Qh= Calor producido en el horno BTU / h ó Kcal / Qh= PCS X Cc Qv= CALOR APROVECHADO Cc= CONSUMO DE COMBUSTIBLE Kg / h ó Lb / h ηg = Rendimiento térmico del generador GASES A LA ATMOSFERA ηg = Calor aprovechado CHIMENEA Calor suministrado = Qv Qh = W ( Hs – Hb ) PCS * Cc Qv = Qe + Qc + Qs = W ( Hs – Hb ) con sobrecalentador Qv = W ( Hv – Hb ) sin sobrecalentador RENDIMIENTO DE UN GENERADOR ηg = Qv / ( PCS * C.c ) ηg = W ( Hs – Hb ) / PCS* C.c. ηg = 335 * CC * R / PCS * C.c ηg = 33.5 * S * R / PCS * C.c CALOR LIBERADO EN EL HORNO El 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 :. Qh ˃ Qv = Rendimiento del generador de vapor Calculo del consumo de combustible en un generador de vapor C.c. = Qh P.C.S W ( Hs- Hb ) C.c. = 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. 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) Problema: En un generador de vapor el agua entra a 180°F. y sale vapor de 360 lbs /pulg2 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 suministrado por el Horno b) El consumo de combustible por hora Datos: 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% ; PCSPetróleo= 18,800 BTU/lb Solucion: a) Qc = W ( Hv- Hb ) = 7,000 ( 1,204.1 – 148 ) = 7000 (1056.1) = 7´392,700 BTU/h b) 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 Problema : Una caldera trabaja a 175 por ciento de carga, tiene 2430 pies 2 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 2 , 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 PCS x ηg = 14´245,875 13,160 = 33.5 x 2430 x 175 18,800 x 0.70 = 1082.51 Lb/h TEMPERATURA DEL HORNO Q = W Cp ΔT DONDE: Q = PCI W = Wg Cp = Cg :.Cg = calor especifico de los gases de combustión ΔT = T horno – T ambiente Entonces : PCI = Wg * Cg * ( Th – Tamb ). :. Th = (PCI / Wg * Cg ) + Tamb Ec. Teórica TEORICA La ceniza del combustible lleva consigo algo de combustible sin quemar. Parte del calor liberado en el horno se trasmite a las paredes y se pierde por radiación. El calor liberado en el horno pasa directamente a la superficie metálica de la caldera siendo aprovechado por el agua. TEMPERATURA REAL DEL HORNO ( P.C.I. ) ( 1 – Pz ) + A / C*Ca ( tA - tamb ) ( 1 – Pr) ( 1 – β ) + t amb. Th = Wg Cg Th ta = Temperatura del aire en el horno. = ºF ó º C Ca = calor especifico del aire = 0.24 Cg = calor especifico de los gases = 0.27 Pr = Perdidas por radiación ( 0 – 6% ) Pz = Perdida por combustible no quemado β = factor de diseño de horno depende de que tan expuesto este el horno a los tubos de agua de la caldera. β = 15 % ó 0.15 enfrente de la caldera β = 22% ó 0.22 abajo de la caldera β = 27% ó 0.27 dentro de la caldera VOLUMEN DEL HORNO = Qh QL Donde : ft 3 o´ m3 Qh = Calor en el horno BTU / Hora 3 QL = Liberación de calor permitido BTU / Pie Hora ( se da como dato en problemas) DISTRIBUCION DE PERDIDAS DE CALOR EN UN GENERADOR 1. 2. 3. 4. 5. Perdidas por la chimenea Perdidas por el combustible no quemado Perdidas por combustión incompleta Perdidas por radiación y convección natural Perdidas varias a) por gases secos ( G ) BTU / lb combustible 1.- Perdidas por la chimenea b) Por vapor de agua en los gases de la chimenea c) Para evaporar la humedad del aire a) G = calor perdido por gases secos BTU / lb combustible G = Wg/s * Cg * ( Tch – T amb ) b) WA = Calor perdido por vapor de agua WA = A λ + 0.48 ( Tch – Tamb ) Donde: A = humedad total = h + 9% H2 Tch = temperatura de la chimenea = Tch = Tbase x 0.8 cp = calor especifico del vapor de agua = 0.48 c) a = calor perdido para eliminar humedad del aire a = A/C * Wa * 0.48 ( Tch – Tamb ) Donde : Wa = Humedad del aire = lb o´ Kg agua / lb o´ Kg aire ( dato) Z = z * C´ * K Donde: Z = calor perdido por combustible no quemado z = ceniza en el combustible C´= carbón en la ceniza K = Poder calorífico carbón = 14,500 BTU / lb 3.- Perdidas por combustión incompleta I = %CO %CO + %CO2 * C * K´ Donde: % CO = Obtenido del análisis ORSAT %CO + %CO2 C = Carbón quemado K´= Diferencia de poder calorífico = 10,160 BTU / lb ó 5650 Kcal/Kg 4.- Perdidas por radiación. Pr = Perdidas por radiación ( BTU / lb comb ) Pr = 3 al 7% del PCS 5.- Perdidas varias V = Perdidas varias V = 1% PCS ( BTU / lb comb ) :. PERDIDAS TOTALES ( P ) P = G + WA + a + Z + I + Pr + V :. ηg = 1 – P * 100 PCS Problema: Se desea producir 60,000 lb/h vapor, en las siguientes condiciones: • P = 300 lb/pulg2 y T = 700 °F • Se quema un combustible cuyo análisis en % peso es: • C= 83%, S= 1.0%,H2 = 5.0%,O2 = 0.5%, Z = 7.0%, h = 2.5%,N2 = 1.0% • El agua se alimenta a la caldera a 82°F. • Se tienen perdidas por radiacion Pr = 4% • Se tienen perdidas por combustible no quemado Pz = 3% • El factor de diseño del horno ß= 0.27 • Tamb. = 70 °F • QL = 30,000 BTU/ Pie3 hr ( Liberacion de calor permitido) • La caldera trabaja a 300% de carga y produce vapor con una calidad de X= 95%
