Trabajo Individual de Termodinamica

7/23/2019 Trabajo Individual de Termodinamica

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DESCRIPCION GENERAL DE CALDERASDe manera elemental una caldera se puede definir como un recipiente cerrado enel cual el agua se evapora en forma continua por la aplicación de calor por medio

de gases. El objetivo de una caldera, además de generar vapor, es realizar con lamáxima eficiencia posible la transferencia de calor, definiendo esta de unamanera sencilla como la porción de calor liberado en el horno que es absorbidopor los fluidos en los elementos de la caldera.

De las diversas clasificaciones de calderas, se hablara en detalle en este capítulode las calderas pirotubulares, las cuales son objeto del presente estudio.

.! "#$DE%#& '(%)*++$#%E&-

&on aquellas calderas en las que los gases de la combustión circulan por el

interior de los tubos el líquido se encuentra en un recipiente atravesado por dichos tubos. &on de aplicación principalmente cuando la presión de trabajo esinferior a los // bar.

'or su dise0o tienen un gran volumen de agua se clasifican en función de ladisposición del haz tubular en horizontales verticales, además en función deln1mero de haces tubulares en calderas de dos pasos, tres pasos, etc.

Características Generales:

• &e construen en tama0os de hasta !2333 lbm4h vapor.• El calor circula por dentro de los tubos el fluido frio, agua, por fuera de

ellos. El calor es transferido por medio de los humos o gas de lacombustión.

• $os tubos van sumergidos en el agua.• $a caldera de baja presión está limitada a !5 psi de presión de vapor.• $a caldera de vapor para generar fuerza puede operar a una presión de 33

psi. una capacidad de 53333 lbm4h de vapor de agua.• El dise0o de una caldera tubos de humo se basa principalmente en el hogar

en los pasos de los gases a trav6s de los tubos.•

$a caldera puede ser de uno, dos ocasionalmente hasta de cuatro pasosVentajas:

• #lmacenan gran cantidad de agua.• 'roducen gran cantidad de vapor.• 'ermiten efectos de fluctuaciones en la demanda de vapor.



• &u costo (nstalado es relativamente bajo considerablemente menor que la

caldera acuotubular de domo.• &on perfectamente adaptables a la producción estandarizada.• &on eficientes de 78 a259.• :áciles de transportar.• ;ecesitan relativamente poca área para su instalación.

Desventajas:

• &u arranque en frio es demasiado lento para alcanzar la presión de

trabajo.• "on el aumento de la demanda de vapor, la temperatura de los gases se

eleva rápidamente.• El tama0o de la caja del hogar no puede ser ampliado.• &u mantenimiento interior es dificultoso.

• ) se emplea para altas presiones <operan de 3=33 psig.>

.!.! "alderas de dos pasos-

En el dise0o de estas calderas existen dos vías de paso autónomas de circulaciónde los productos de combustión, se puede diferenciar una cámara de combustióndenominada hogar localizada en la parte inferior de la caldera rodeada por unapared posterior totalmente ocupada por agua.

$os gases de combustión producidos por el quemador fluen a trav6s del hogar,ingresando por el segundo paso de tubos, volviendo a la parte delantera de la

caldera dirigi6ndose a la caja de gases para ser evacuados al exterior.

$as calderas que se basan en este principio se caracterizan por su bajorendimiento, así como por el alto contenido de sustancias contaminantes en susgases de combustión

/. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE CALDERAS

2.1 CO!"S#ION

Es el conjunto de procesos fisicoquímicos en los que un elementos combustible se

combina con otro elemento comburente <generalmente )/ gaseoso>,desprendiendo luz, calor productos químicos resultantes de la %eacción<oxidación>."omo consecuencia de la %eacción de combustión se tiene laformación de una llama, dicha llama es una masa gaseosa incandescente queemite luz calor.



$as reacciones básicas de combustión corresponden a las reacciones deoxidación del carbono <"> del ?idrogeno <?> mediante oxigeno que puedeaportarse en forma pura <oxicombustion> o mediante el aporte de aire que locontiene en una proporción media del /!9.

Estas %eacciones son-

C$O2 CO2$ Cal%r

2&2 $O2 2&2O$ Cal%r

'ero estos dos componentes químicos no se encuentran habitualmente en estadopuro para actuar como combustibles <salvo carbono en el carbón de origenfósil>.$os combustibles tienen una composición general que se puede expresar como-

Ca&'$nO2 aCO2$ (')2* &2O $ cal%r 2.1.1 +ases ,e la C%-'sti/n

$a combustión no es realmente una 1nica reacción química, sin que se puedandistinguir tres fases en la reacción de combustión.

• +ase ,e Pre reacci/n: <:ormación de radicales>- el combustible se

descompone dando lugar a la formación de radicales, que son unoscompuestos intermedios inestables mu activos. 'ara que de este modo,el "arbono el ?idrogeno puedan reaccionar con el oxígeno. Estos

radicales son del tipo ?@, "?@, )?=, )=.

• +ase ,e O0i,aci/n: En esta fase se produce la combinación entre

radicales el oxígeno de un modo exot6rmico. Es cuando tiene lugar lapropagación de la llama.

• +ase ,e #er-inaci/n- En 6sta fase se forman los compuestos estables

finales. El conjunto de estos compuestos es lo que se denominan gases decombustión.

#un existiendo en el conjunto de estas reacciones algunas endot6rmicas otrasexot6rmicas el balance global es netamente exot6rmico.

2.1.2 #rianl% ,e la c%-'sti/n:'ara que se produzca la combustión deben encontrarse en el espacio en eltiempo tres elementos-

"ombustible

"omburente



:uente de (gnición.

El combustible el comburente se deben encontrar en unas proporcionesadecuadas, no produci6ndose la combustión fuera de esas condiciones.

#dicionalmente es preciso una fuente de energía que produzca el inicio de la

combustión, lo que se denomina fuente de ignición que despu6s mantenga estacombustión.

El conjunto de estos tres elementos es lo que se denomina triangulo decombustión o triangulo del fuego, del cual se puede concluir que para mantener lacombustión deben estar presentes todos los elementos.

'or otra parte, para que se inicie la combustión es necesario que el combustiblese encuentre en forma gaseosa. 'or ello los combustibles líquidos sólidosprecisan calentarse primero para que desprendan vapores que puedan inflamarse.En consecuencia, se pueden diferenciar, para cada material.

*emperatura de Aasificación- temperatura a la cual el combustible se gasifica.

*emperatura de ignición- *emperatura a la cual el combustible a gasificado seinflama espontáneamente.

2.1. #i3%s ,e c%-'sti/n

De acuerdo con el nivel de combustión alcanzada la cantidad de comburenteaportado a la combustión, se pueden dar los siguientes tipos de combustión.

• C%-'sti/n C%-3leta: Es aquella reacción en la que el combustible sequema hasta el máximo grado posible de oxidación. En consecuencia, nohabrá sustancias combustibles en los humos. En los productos de lacombustión se pueden encontrar ;/, ")/, ?/) &)/.

• C%-'sti/n Inc%-3leta: Es aquella reacción en la que el combustible no

se oxida completamente. &e forman sustancias, denominadas inquemados,que todavía pueden seguir oxidándose, por ejemplo "), otros inquemadospueden ser ?/, "n?m, ?/& ". Estas sustancias son los contaminantesmás comunes que escapan a la atmosfera en los gases de combustión.

• C%-'sti/n #e/rica % Este4i%-etrica: Es la combustión realizada conla cantidad teórica de oxigeno estrictamente necesaria para producir laoxidación total del combustible sin que se produzcan inquemados. Enconsecuencia, no se encuentra )/ en los humos a que el )/ aportado o lacombustión se consume completamente en la misma.

• C%-'sti/n c%n e0ces% ,e aire: Es la combustión que se lleva a cabo

con una cantidad de aire superior a la estequiometrica. Esta combustión



tiende a no producir inquemados es típica la presencia de )/ en loshumos. &i bien la incorporación de aire permite evitar la combustiónincompleta la formación de inquemados, trae aparejada la perdida decalor en los productos de combustión, reduciendo la temperatura decombustión, la eficiencia la longitud de llama.

• C%-'sti/n c%n ,e5ect% ,e aire: En esta combustión el aire disponible esmenor que el necesario para que se produzca la oxidación total delcombustible. 'or lo tanto se producen inquemados.

2.1.6 Par7-etr%s ,e la C%-'sti/n:$os parámetros de la combustión son los siguientes.

• #e-3eratra ,e In5la-aci/n: Es la temperatura mínima a la cual un

líquido inflamable desprende suficiente vapor para formar una mezclainflamable con el aire que rodea la superficie de líquido o en el interior del

recipiente empleado.• #e-3eratra ,e at% inici/n % at% in5la-aci/n: Es la temperatura

minina a presión de una atmosfera a la que una sustancia en contacto conel aire arde espontáneamente sin necesidad de una fuente de ignición. #esta temperatura se alcanza la energía de activación suficiente para que seinicie la reacción de combustión. Este parámetro sirve de referencia paraoperaciones sin fuente puntual de ignición pero con una elevaciónimportante de la temperatura, tales como tratamientos t6rmicos,intercambiadores de calor con aceites t6rmicos, motores el6ctricosprotegidos, etc.

• Lí-ite ,e In5la-a'ili,a,: son las concentraciones mínimas máximas devapor o gas en mezcla con el aire en las que son inflamables, se expresanen tanto por ciento en el volumen de mezcla vapor de combustible=aire.

2.1.8 Ren,i-ient% ,e la C%-'sti/n: &e define como la relación entre el calor 1til obtenido <B 1til> el calor total que aporta el gas combustible B total.

nC Butil !33 BtotalEs decir la diferencia entre el calor total el calor 1til será el calor perdido en el

proceso de combustión que está formado por-

• Per,i,as ,e cal%r 3%r ra,iaci/n en el ent%rn%: por ejemplo las paredes

de la caldera aumentan su temperatura produciendo una emisión de calor por radiación al entorno.



• Per,i,as ,e cal%r sensi'le en l%s ases 4e-a,%s: $os productos

generados en la combustión así como los gases inertes que no reaccionan,se evacuan a una temperatura superior a la de entrada de combustible comburente, por lo que en ellos se pierde cierta cantidad de calor en formade calor sensible.

• Per,i,as ,e cal%r latente en el va3%r ,e aa. El vapor de agua

generado en la combustión incorpora una gran cantidad de calor correspondiente al calor latente de vaporización preciso para sugeneración. Este calor generado en la combustión no es aprovechadohabitualmente, con la consiguiente p6rdida de energía, por lo que tiene unagran importancia cuando las temperaturas de proceso precisas no superanlas temperaturas de orden de los 3Fc.

2.2 !ALANCE DE A#ERIA 9 ENERGA.!alance ,e -ateria- GentradaH C GsalidaH

asa entrante- = masa del combustible

= masa del aire

= masa del agua de alimentación

asa saliente: = masa de vapor

= masa de gases de chimenea

= masa de las purgas

!alance ,e enería: GentradaH C GsalidaH

Entra,a ,e enería-

= "ombustible <?com C Icom x <'"&> @ ? rx>

= #ire <?aire C Iaire x "paire x G*aire = *refH

= ?umedad del aire <? haire C I haire x "p haire x G* haire = *refH

= #gua de alimentación <? aalim C Iaalim x "p?/) x G*aalim J *refH

Sali,a ,e enería:

; Aas de chimenea <? gas C I gas x "p gas x G*gas = *refH>

= Kapor <?vap>



= '6rdidas por radiación convección

= '6rdidas por inquemados <sólidos gaseosos>

= "alor residual

Dat%s ,e -e,ici%nes en la cal,era

Kariable

!.= 'orcentaje de carga <9> 55,/

/.= 'resión de vapor <psi> !35

.= *emp. del agua de aliment. <F"> 23

L.= *emp. del aire <F"> /7,3

5.= 'resión del combustible <psi> /L3

.= *emp. "omb. ingres. quemador <F"> !83

#nálisis de los gases de chimenea

9 ")/ 7,5

9 )/ !

'pm ") L53

Mndice de acharach L

*emp. gases de chimenea <F"> /33

?umedad relativa del ambiente <9> !

2.2.1 !alance ,e -ateria

A. Entra,as

!. C%-'sti'le

Icomb C Bcomb x dens x f!

Icomb C !33 gal4h x 3,8/ x ,72 $4 gal

C L7.7 Ng4h

/. Aire



Exaire C G9)/ = <5xE@5 x ppm ")>H x!33

G3,/L x 9 ;/H = G9)/ =<5xE@5xppm")>H

C G! = <5 x E @5 x L53>H x !33

G3,/L x78, 5H = G! = <5 x E@5 x L53>H

C !!, 5 9

(nd <ind. exces. aire> C Exc aire4!33 @ !

(nd C !!, 5 4!33 @ ! C /, /

#est C <3, 3/7 x 9"> @ <3, 32 x 9?> @ G3, 3! x <9&=9)>H

<9)/ 4!33>

C <3,3/7x2> @ <3, 32 x !!> @ G3,3! x <! = !>H

</, /4!33>

C !, 8 < aire sec% ) < c%-'.

I aire C (nd Exce x #ire est. x Icomb.

I aire C /, / x !, 8 x L7.7 C !/L7 Ng as4h

. &-e,a, ,el aire

Ihaire C Iaire x habs

C !/L7 x 3,3! C !8.L Ng ?/)4h

6. Aa ,e ali-entaci/n

Iaalim C L/8 Ng 4 h

!. Sali,as

1. Gas sec% ,e c=i-enea

Igas C OG<3,337x9"> @ <3, 3/9&> @ G<#est x 9;/> @ 9;H x 3.3! @ G<(nd = !> x #estHPQ Icob

C O<3,37 x2> @ <3,3/x!> @ G<!,8 x7, 2> @ 3,/H x3, 3!@ G</,/ J !> x!,8HP QL7.7

> 12 62 < as sec% ) =



2. &-e,a, ,el as ,e c=i-enea

Ihgas C O3,3!x G8x9?> @ 9?/)H @ <(nd x #est x ?abs>P x Icob

C O3,3! x G<8x!!> @3,2H @ </,/x!, 8x3, 3!>P xL7.7

> 818 <)=

. Va3%r

Ivap C L/8 Ng 4h

+AC#OR DE CARGA

:actorC <caudal másico de vapor 4caudal nominal> x !33

"audal másico de vapor C L /8 Ng 4 h

"audal nominal C 8383 Ng 4 h

:actor C GL /848383H x !33 C 6?@ 2 B

2.2.2 !alance ,e enería

"ondiciones de referencia- temperatura C /5 F" '"&

A. Entra,as

1. C%-'sti'le

1.1 Cal%r ,e reacci/n

?rx C Icomb x '"&

C L7.7 Ng 4h x !3 Ncal 4 Ng

> 866 <cal)=

1.2 Cal%r Sensi'le

?cs C Icomb x "pcomb x <*comb = *ref>

L7.7 Ng4h x 3, L7 Ncal 4 Ng=F" x <!83 = /5> F"

> 2<cal)=

?comb C ?rx @ ?cs C 58L3L@ /82C 2?2 <cal)=

2. ; Aire



?aire C Iaire x "p aire x <*aire= *ref>

C !/L7 Ng4h x 3, /L Ncal4Ng=F" x </7=/5>F"

> 8 ? <cal)=

. &-e,a, ,el aire

?hair C Ihaire x "phair x <*hair = *ref>

C !8.L Ng 4h x 3, L5 Ncal4 Ng=F" x </7=/5> F"

> 182.? <cal )=

Aa ,e ali-entaci/n

?alim C Iaalim x "p?/) x <*aalim = *ref>

C L/8Ng4h x!Ncal4Ng=R" x <23=/5> F"

> 28 <cal )=

Entradas C ?comb @ ?aire @ ?aalim

C/37/@ 5 827 @ !5/.7 @ /2385

> 61?1

!. Sali,as

1. Gas sec% ,e c=i-enea

?gas C Igas x "p gas x <*gas = *ref>

C !/ L/ Ng 4 h x 3, /L Ncal4Ng=F" x </33=/5>F"

> 821? <cal )=

&-e,a, ,el as ,e c=i-enea

?hgas C G<3, 38 x9?> @ <3,3!x 9?/)>H x Icomb x <?vr> @ GIhair x "phair x <*gas

= *ref>H

C G<3, 38 x!!> @ <3, 3!x3, 2>H x L7.7x <73!Ncal4Ng> @ G!8.L Ng 4h x3,L55 Ncal 4Ng=F" x </33=/5> F"H

> 28?.? <cal)=

. Va3%r



?vap C Ivap x ?vs

C L/8 Ng4h x <L Ncal 4Ng>

> 2?668 <cal )=

6. In4e-a,%s ase%s%s

?ing C 5,5x 9" x 3, 333! x ppm") x Icomb

9 ")/ @ <3, 333! x ppm ")>

C G5, 5 x 2 x 3, 333! xL53 x L7.7H

G7,5 @ <3,333! x L53>H

> 1 8 <cal)=

8.; In4e-a,%s s/li,%s

?ins C O3,3! x ( x '"& x IcobP 4 /

C 3,3! x L x !3 ! x L7.7 4 /

> ?1 ? <cal ) =

. ; PFr,i,as 3%r ra,iaci/n c%nvecci/n

.! "onvección

?conv C , x <! 4)> 3,/ x <!4*av> 3,!2 x <*sup=*ref> !./x

G! @ <3,2 x Kel>H 3.5 x #sup

C , <!4 ,!>3,/ x <! 45,5>3.!2 x <!3=/5>!,/ x

G! @ <3,2 x ,>H 3,5 x 78

C 6? ? <cal ) =

.2 Ra,iaci/n

?radn C <δ> x <ε> x < *supL = *ref L>#sup

C L,22 x E=2 x 3,88 x < 78L = /82L > x78

> 6 6? <cal ) =

. #%tal



?cr C ?conv @ ?radn

C L7 27 @ L2 7L C 82 <cal ) =

?. Cal%r resi,al

"res C Entradas = salidas

C L3!7!3= 5/!7= /5788.78 = /7LL52= !3 35 = 7! 87 = 8 5/

C 18?2 <cal)=

E5iciencia ,e la Cal,era

Eficiencia C Gcalor gan. por el vaporH 4 Gcalor sumin.H

"alor ganado por el vapor C/7LL52 Ncal 4 h

"alor suministrado C L3!7!3 Ncal 4 h

Eficiencia C /7LL52x !33 4 L3!7!3

> .2 B

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