ejercicio propuesto fundamentos de sobrecalentadores

ejercicio propuesto fundamentos de sobrecalentadores MQUINAS TRMICAS II

PARTE I: MARCO TERICO

1. QU ES EL VAPOR SOBRECALENTADO?El vapor sobrecalentado, tambin conocido como "vapor sobre cargado," "vapor anhidro" y "gas de vapor", resulta de la calefaccin continua de vapor de agua saturado a presin constante. En el punto donde sale del intercambiador de calor, toda la humedad se ha evaporado del vapor de agua, produciendo un gas 100 por ciento seco.

1.1. PRODUCCINLa produccin de vapor sobrecalentado comienza en una caldera, donde el agua se calienta hasta 100 grados Celsius, dando vapor de agua saturado. Luego, el vapor pasa a travs de una bobina de calefaccin de tubera de cobre, un segundo intercambiador de calor, o una unidad separada de sper calentador, que lleva la temperatura del vapor saturado ms all del punto de ebullicin. Esto debe llevarse a cabo por separado ya que adicionar ms calor a la caldera simplemente dara lugar a evaporacin adicional de agua.

Despus del sobrecalentamiento, el vapor contiene suficiente energa para encender una cerilla.

1.2. PROPIEDADESDebido a que la produccin de vapor sobrecalentado implica un mayor calentamiento de vapor saturado, todo rastro de humedad tendra que desaparecer, dejando detrs vapor seco, el cual contiene ms energa de vapor saturado, pero mucho menos contenido de calor til. El vapor sobrecalentado tiene aproximadamente el mismo coeficiente de transferencia de calor que el aire, lo que lo hace un aislante y un mal conductor de calor. Por lo tanto, rara vez se utiliza como un medio de transferencia de calor, ya que no se enfra fcilmente para producir su energa.

1.3. GENERACIN DE ENERGADebido a sus propiedades nicas, el vapor de agua sobrecalentado encuentra su aplicacin ms importante en la generacin de energa, donde se utiliza casi exclusivamente para hacer funcionar turbinas. Su sequedad hace que sea ideal para este propsito de mantenimiento inteligente, ya si hubiera gotas de agua presentes en el vapor, desequilibraran y romperan las aspas. A diferencia del vapor saturado, el vapor sobrecalentado no se condensar incluso despus de perder parte de su energa para el rotor de la turbina. Por lo tanto, el vapor sobrecalentado mejora la eficiencia trmica global de la turbina.

1.4. OTRAS APLICACIONESAparte de ser una fuente ideal de energa para la generacin de energa, el vapor de agua sobrecalentado encuentra un uso ms en varias otras aplicaciones industriales, tales como secado, decapado y limpieza. Es ampliamente utilizado a gran escala en el secado epoxi, en la produccin de catalizador pelculas, oxidacin de vapor, secado de superficies y en diferentes aplicaciones de nanotecnologa. El vapor sobrecalentado se utiliza tambin para impulsar locomotoras de vapor, siendo de nuevo la alternativa ms potente y econmica al vapor saturado en el que se le da al motor una mayor eficiencia trmica y contiene poco o nada de humedad.

2. SOBRECALENTADORESEl sobrecalentador de vapor es bsicamente un intercambiador de calor gases-vapor, diseado teniendo en cuenta las particularidades de su trabajo con gases de combustin. El objetivo es conseguir un vapor a alta temperatura que no sufra problemas de condensacin en su camino desde la caldera hasta el proceso.Para aquellos procesos donde la humedad del vapor es perjudicial o en redes de distribucin de vapor en donde las prdidas de calor son excesivas se utilizan los sobrecalentadores de vapor cuya finalidad es eliminar la humedad del vapor elevando su temperatura.Para las redes de distribucin de vapor muy amplias y distantes, se utilizan para compensar la prdida de calor al ambiente que se traduce en grandes cantidades de condensado que se desperdicia a travs de las lneas de retorno siendo improductivas para el proceso.Existen diversos tipos de sobrecalentadores. Generalmente se dividen en dos grandes grupos. Sobrecalentadores tipo paquete y Tipo recuperador.Los tipos paquete son generalmente auto-quemantes, es decir, poseen su propio quemador y son aplicables a redes de distribucin amplias y a la salida de equipos (calderas) en donde no existe espacio suficiente para colocar un sobrecalentador tipo recuperador.Los tipo recuperador se instalan generalmente en las calderas en donde existe espacio suficiente para colocarlos (generalmente en acuotubulares o realizando modificaciones en las piro tubulares. Estas a su vez se dividen en dos grandes subgrupos: radiantes y convecctivos.Debido a la naturaleza misma del vapor sobrecalentado y su baja capacidad para refrigerar el material de los tubos a travs de los cuales se transmite el calor, se utilizan materiales especiales para alta temperatura en donde su microestructura difcilmente se degrada producto de las altas temperaturas de pared. Adems, los procedimientos de soldadura son bastante diferentes para el soldeo de estos materiales.

Consta de dos circuitos:2.1. CIRCUITO DE VAPORConsiste en un haz de tubos unidos por codos de acero soldados a los tubos. Se completa el circuito con dos colectores laterales, uno para la entrada y reparto del agua y el otro para la salida de la misma.

2.2. CIRCUITO DE GASESDispuesto en contracorriente del circuito de vapor est formado por una carcasa en chapa de acero y perfiles laminados.

3. CLASIFICACIN DE SOBRECALENTADORES: SOBRECALENTADORES DE CONVECCIN:En trminos generales, los sobrecalentadores por conveccin se clasifican por su ubicacin, en dentro de la cubierta, sobre la cubierta, entre los tubos y dentro de los tubos. En las calderas de cmaras cuadradas o calderas de cmaras seccionales con tubos de agua rectos, el sobrecalentador podr instalarse, ya sea encima del grupo principal de tubos, entre el primero y el segundo paso, en cuyo caso se designa con el nombre de sobrecalentador sobre la cubierta; o en el primer paso, entre el haz superior e inferior de tubos, ubicacin que se designa con el nombre de dentro de la cubierta. En tales calderas, los elementos del sobrecalentador suelen instalarse, generalmente, paralelos a los tubos de la caldera, con excepcin del caso de la disposicin de dentro de la cubierta, en las calderas de cmaras cuadradas, donde estn dispuestos perpendicularmente a los tubos para facilitar su extraccin. SOBRECALENTADORES DE RADIACIN:Como su nombre lo indica, estos aparatos absorben el calor principalmente por radiacin directa desde el hogar, y en general, se los instala sobre las paredes del hogar, en este caso la temperatura final del vapor disminuye a medida que la carga de la caldera aumenta. SOBRECALENTADORES MIXTOS O DE RADIACIN CONVECCIN:Combinando, en forma conveniente, un sobrecalentador de radiacin con otro de conveccin se puede mantener constante la temperatura final del sobrecalentamiento entre amplios lmites de variacin de la carga de la caldera.En el caso de calderas de doble hogar, el sobrecalentador mixto permite mantener constante el sobrecalentamiento entre un cuarto y plena carga de la caldera.4. SOBRECALENTADORES INDEPENDIENTES O DE CALENTAMIENTO DIRECTO:Se utilizan en las industrias del gas, petrleo, y para procesos especiales en otras industrias y tambin en las centrales nucleares. La instalacin consiste, esencialmente, de un hogar desde el cual los gases de la combustin pasan sobre

PARTE II: DESARROLLO DE PROBLEMA:1. CARACTERISTICAS DE DISEO:Las caractersticas del diseo de una caldera de vapor: Temperatura de vapor: Tv = 371.1C Produccin: D = 100 TVH Presin de vapor: Pv = 450 psig Nmero de serpentines: 46 Dimetro exterior del serpentn: ext. tubo = 2 Espesor t = 7 SWG (4.5mm) Longitud de serpentn Lt = 92pulg

2. CARACTERSTICAS DE TRABAJO: Produccin: D = 75 TVH Presin de vapor: Pv = 300 psig Temperatura de vapor: Tv = 360 C

3. PROBLEMA: Cuntos serpentines se deben eliminar del diseo original para obtener una temperatura final del vapor de Tv = 310 C? El combustible usado: Bagazo 95200 Lbs bagaz/hora. Superficie de calefaccin del sobrecalentador A = 942 pie2 y est en contacto directo con los gases de la combustin. La temperatura de los gases a la entrada del sobrecalentador es 1100 C y la velocidad media de los gases es C1 = 14m/s. El vapor circula por los tubos de acero a la velocidad media de C2 = 17m/s.

4. SOLUCION:

Caractersticas a la salida del sobrecalentador: Flujo msico de vapor = 75 TVH Presin = 300psig Temperatura = 310 C Caractersticas de salida del serpentn: ext. tubo = 2 Espesor t = 7 SWG (4.5mm) Long. Serpentn Lt = 92pulg Clculo del dimetro interior de los tubos: Di = Do 2eDi = 5.08 2(0.45) Di = 4.18 cm 1.6

La separacin entre tubos = 15 cm Dimensiones del canal: x = 6.9 m / y=2.7m Transferencia de calor.

Cantidad de serpentines:

serpentinesPor lo tanto a condiciones de trabajo mostradas se restaran 8 serpentines, ya que del valor nominal de 46 serpentines, se obtuvo un total de 38 serpentines para un rea de transferencia de calor de

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