Apunte GV mec

Generadores de Vapor

ME5300 - Maquinas

30 de noviembre de 2014Santiago, Chile.

Seccion INDICE

Indice

1. Objetivo 1

2. Generador de Vapor 2

3. Evaporador 4

4. Hogar 54.1. Radiacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

5. Recalentadores y Sobrecalentadores 7

6. Economizadores y Calentadores de Aire 86.1. Calentadores de Aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.2. Economizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

7. Perdidas de Carga 9

8. Balance Termico 108.1. Energıa Absorbida por el Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108.2. Perdida por Gases Secos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108.3. Perdida por Humedad en Gases de Chimenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108.4. Perdida por Vapor a Partir de Hidrogeno en el Combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108.5. Perdida en los Gases por el Sobrecalentamiento del Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118.6. Perdida por Combustion Incompleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118.7. Perdida por Carbon no-Quemado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128.8. Perdidas por Radiacion, Conveccion y Otras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128.9. Rendimiento del Evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

9. jhgfdjhgc 13

Indice de figuras

1. Diagrama Generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22. Diagrama h-s Central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33. Evaporador Pirotubular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44. Evaporador Acuotubular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45. Caracterısticas SC y RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76. Grafico Psicrometrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Indice de cuadros

1. Valores de U0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Apunte de Maquinas - ME5300 Generadores de Vapor

Seccion 1. Objetivo

1. Objetivo

El objetivo de este apunte es ordenar, categorizar y explicar la materia tratada en el curso de maquinas.Este es un apunte extraoficial y pretende ser completado a medida que transcurran los semestres, adecuandoseal enfoque del curso.

La mision de este apunte es facilitar el acceso al material y asegurar que la dificultad del curso se encuentreen comprender y aplicar la materia, no en el acceso limitado y confuso que se ha tenido historicamente en elcurso.

Este apunte pretende incorporar materia nueva y estar sujeto a constantes correcciones y comentarios porparte del estudiantado, para hacer cualquier aporte hagalo al e-mail: [email protected]. En casode hacer aportes de texto se agradecerıa se envıen en formato digital mas que fotografiado, en cualquier casotodo sirve.


Seccion 2. Generador de Vapor

2. Generador de Vapor

Un generador de vapor es una maquina o dispositivo de ingenierıa, donde la energıa quımica, se transformaen energıa termica. Generalmente es utilizado en las turbinas de vapor para generar vapor, habitualmente vaporde agua, con energıa suficiente como para hacer funcionar una turbina en un ciclo de Rankine modificado.

Figura 1: Diagrama Generador

Los generadores de vapor estan compuestos por:

Hogar

Evaporador

Sobrecalentador

Recalentador

Economizador

Calentador de Aire


Seccion 2. Generador de Vapor

En este curso se estudian generadores de vapor mediante la combustion de carbon, operando en centralesdel tipo Rankine sobrecalentado:

Figura 2: Diagrama h-s Central


Seccion 3. Evaporador

3. Evaporador

En el evaporador el agua pasa de estado lıquido a estado gaseoso, manteniendose saturado. Es decir sutıtulo pasa de ser x = 0 a x = 1. Existen dos tipos de evaporadores, los pirotubulares y los acuotubulares, elnombre de cada uno indica que es lo que circula al interior de los tubos.

Pirotubulares:

Los gases calientes de la combustion circulan al interior de tubos sumergidos en agua, lo que transmiteel calor al fluido. Son calderas pequenas y se ocupan por lo general para presiones relativamente bajas,son utilizados con propositos de menor cuantıa, como en hospitales.

Figura 3: Evaporador Pirotubular

Acuotubulares:

Los gases calientes de la combustion circulan al exterior de tubos con agua, lo que transmite el calor alfluido. Los tubos llevan el agua/vapor al domo, donde se almacena, presuriza y se separa el vapor delagua. En este curso nos enfocaremos en este tipo de calderas.

Figura 4: Evaporador Acuotubular


Seccion 4. Hogar

4. Hogar

El hogar es el lugar donde se produce la combustion del carbon. Este puede ser combustionado de distintasformas:

Piedra: El carbon en estado natural, las piedras tıpicamente tienen un tamano de 1 − 5[cm].

Lecho Fluidizado: El carbon es molido hasta alcanzar un tamano de 3 − 5[mm].

Carbon Pulverizado: En este caso el carbon se reduce hasta un polvo impalpable, con partıculas de untamano de 0,1 − 1[µm].

La transferencia de calor en el hogar esta dada por:

Q = UA∆Tml (1)

Con U siendo determinada por el regimen laminar/turbulento, A el area del hogar (importante y complejode calcular) y ∆Tml es la diferencia de temperatura media logarıtmica, que se define como:

∆Tml = Fc∆T1 − ∆T2

ln(∆T1∆T2

)(2)

Donde Fc es un factor que depende del tipo de flujo del intercambiador, siendo Fc = 1 para flujo encontracorriente.

Del mismo modo:

q = U0A0∆Tml (3)

Donde A0 es la superficie externa del elemento y los valores de U0 dependen del elemento:

Cuadro 1: Valores de U0

Elemento U0[ Wm2K

]

Pantalla de Tubos 55

SC y RC 50

Evaporador 55

Economizador 75

Calentador de Aire 25

El rendimiento de combustion esta dado por:

ηcomb =Er

mf ·HHV= 1 − CO

CO + CO2(4)

Y la eficiencia de absorcion:

ηab =Eab

Er − hab=

Eab

eavEr(5)


Seccion 4.1 Radiacion

Donde Er es la potencia liberada (released), Er la energıa liberada, hab corresponde a la energıa de losgases de combustion (humedos) a la temperatura de absorcion Tab y eav es la relacion de energıa disponible(available):

eav =Er −Hab

Er(6)

Los hogares producen transferencia de calor de dos formas posibles, por radiacion y conveccion. La con-veccion se produce por intercambio de los gases de combustion con los tubos con agua y el intercambio deenergıa se da mayoritariamente lejos de la llama.

4.1. Radiacion

La radiacion es un tipo de intercambio de calor que se propaga de forma directa entre la llama y los tubos.Este tipo de intercambio es el mas importante y complejo. Se da a corta distancia debido a que los gases decombustion son capaces de absorber la radiacion (todos los gases de combustion exceptuando a N2 y H2, queson transparentes a esta radiacion) y depende mucho del tipo de hogar y su area.

Los gases que absorben radiacion tambien son capaces de emitirla, al igual que las partıculas desprendidasde la combustion que poseen altas temperaturas. Esta ultima es de mayor importancia.

El envejecimiento de la caldera conlleva a acumulacion de escoria en los tubos de agua, presentandosecomo una resistencia a la transferencia por radiacion.

Se define el factor de absorcion como:

fab =1

1 + [Cmg

Tr( ErAp

)12 ]

(=Er

Eab) (7)

Donde mg es el flujo masico de los gases, C es una constante empırica que depende de los gases, del hogary de la geometrıa, Ap es el area proyectada y Er es la potencia liberada.

Por ende:

ηab =fabeav

(8)


Seccion 5. Recalentadores y Sobrecalentadores

5. Recalentadores y Sobrecalentadores

Estos son componentes adicionales al ciclo normal de Rankine, que permiten aumentar su rendimiento,economıa y la potencia del ciclo. Estos tambien pueden ser convectivos o radiativos:

Convectivos: Estos intercambiadores tienden a aumentar el rendimiento a medida que aumenta el caudalde carga.

Radiativos: Estos intercambiadores tienden a disminuir el rendimiento a medida que aumenta el caudalde carga.

Es de suma importancia mantener las temperaturas de entrada a las turbinas a una temperatura constante,ya que si esta aumenta puede que no se extraiga por completo la energıa en la turbina y si disminuye elvapor puede condensar en la turbina, generando corrosion y posibles fallas. Teniendo un sistema mixto conrecalentadores o sobrecalentadores de ambos tipos se puede variar la proporcion del caudal que circula porcada uno de estos y mantener la temperatura de vapor contante, aun si la carga de la central varıa.

Figura 5: Caracterısticas SC y RC


Seccion 6. Economizadores y Calentadores de Aire

6. Economizadores y Calentadores de Aire

6.1. Calentadores de Aire

Son unidades dedicadas a precalentar el aire de combustion utilizando el calor contenido en los gases desalida de la chimenea. Las principales ventajas de estos dispositivos son:

Mejora la combustion

Es posible quemar combustibles de menor calidad

Aumenta el rendimiento del generador de vapor. Por cada 25[◦C] de aumento en la temperatura, aumentael rendimiento en un 1 %

Aumenta la capacidad de produccion

6.2. Economizadores

Los economizadores tienen como funcion precalentar el agua de entrada a la caldera, utilizando el calorde salida de la chimenea. Sin ebargo, el economizador no evapora el agua, solo la calienta (como maximo)hasta el punto de saturacion. El gas que sale del economizador debe tener energıa suficiente para que opere elcalentador de aire.

Estos aparatos reducen los esfuerzos de los elementos de la caldera de origen termico, eliminando loscambios bruscos en la temperatura e incrementan el rendimiento global de la central por la reduccion deperdidas termicas.


Seccion 7. Perdidas de Carga

7. Perdidas de Carga

Por lo general la circulacion por medio de conveccion natural basta para las centrales pequenas. Sinembargo, para unidades grandes es necesario forzar el flujo de gases por medio de ventiladores. La potencianecesaria para la circulacion forzada esta directamente relacionada con la perdida de carga.

Altas velocidades en los bancos de tubos tienden a incrementar el intercambio de calor, pero tambienaumentan las perdidas de carga del aire, por lo que se busca generar un balance entre estos dos factores.

La perdida de carga a traves de el banco de tubos se puede expresar como:

∆Pf =fNG2

(6,34 × 108)ρ(9)

Donde ∆Pf esta medido en [cmH20] a 25[◦C], f es el factor de friccion (determinado por el numero deReynolds, diametro y cantidad de tubos, alineacion y espaciamiento), N es el numero de filas de tubos en ladireccion del flujo, G es la velocidad masica en [ kg

hm2 ] y ρ es la densidad del gas.Sin embargo, se debe considerar un factor de correccion cuando los gases se mueven en un flujo vertical:

∆Ps = (ρa − ρg)Lg

97,76(10)

Donde ρa y ρg son las densidades del aire ambiental y de los gases de combustion, respectivamente; g esla gravedad y L es la distancia vertical de los tubos.

Por lo tanto, la perdida de carga neta sera ∆P = ∆Pf +∆Ps para un flujo ascendente y ∆P = ∆Pf−∆Ps

para un flujo descendente.


Seccion 8. Balance Termico

8. Balance Termico

Esta seccion es fundamental para la resolucion de ejercicios sobre generadores de vapor. En el generadorde vapor se destacan 8 energıas distintas, siendo la energıa absorbida por el agua e1 y e2...e8 distintos tiposde perdidas. Todas estas expresiones estan medidas en [ kJ

kgfuel], es decir es energıa por unidad de masa de

combustible.

8.1. Energıa Absorbida por el Agua

e1 =ms(hs − hw) + msh,rh∆hsh,rh

mfuel(11)

Con ms el flujo de vapor, hs y hw entalpıas de saturacion de vapor y agua, respectivamente (steam ywater). msh,rh es el flujo que pasa por el sobrecalentador o recalentador y no necesariamente es igual a ms,pues puede que pase solo una parte del flujo por estos dispositivos. Finalmente, ∆hsh,rh es el salto entalpicodel sobrecalentador o recalentador y mfuel es el flujo de combustible.

Tıpicamente el termino del sobrecalentador o recalentador se desprecia en los calculos, ya que buscamoshacer un balance sobre el evaporador (a menos que se diga lo contrario).

8.2. Perdida por Gases Secos

Es la energıa que se pierde por el escape de los gases a la salida de la chimenea.

e2 = mdgCPg(Tg − Ta) (12)

Con mdg la masa de los gases de combustion secos, CPg el calor especifico de los gases secos, Tg latemperatura de los gases a la salida de la chimenea y Ta la temperatura ambiental.

8.3. Perdida por Humedad en Gases de Chimenea

e3 = mm(hv − hf ) (13)

Con mm la cantidad de agua contenida en el combustible, medida en [ kgkgfuel

]; hv la entalpıa de vapor

sobrecalentado, evaluada a Tg (salida de chimenea) y P = 10[kPa]. Finalmente, hf la entalpıa de agua lıquidaa Ta.

8.4. Perdida por Vapor a Partir de Hidrogeno en el Combustible

e4 = 9mH(hv − hf ) (14)

Con mH la masa neta de hidrogeno en el combustible ([ kgkgfuel

]), hv y hf definidas anteriormente. El numero

9 corresponde a la masa molecular del hidrogeno.


Seccion 8.5 Perdida en los Gases por el Sobrecalentamiento del Vapor

8.5. Perdida en los Gases por el Sobrecalentamiento del Vapor

e5 = maωCPv(Tg − Ta) (15)

Con ma la masa de aire seco en [kgairesecokgfuel]. CPv = 1,88[ kJ

kgK ] es el calor especıfico del agua y las tempera-

turas fueron definidas anteriormente. Finalmente, ω es la humedad especıfica del aire y se obtiene a partir delgrafico psicrometrico (eje de las ordenadas):

Figura 6: Grafico Psicrometrico

8.6. Perdida por Combustion Incompleta

e6 =CO

CO + CO2·mbc · LHVCO (16)

Con mbc la masa del carbon quemado (burned carbon)en [ kgkgfuel

] , LHVCO = 23560[ kJkgK ] y el CO y CO2

se mide en moles.


Seccion 8.7 Perdida por Carbon no-Quemado

8.7. Perdida por Carbon no-Quemado

e7 = muc · LHVcarbon (17)

Donde LHVcarbon = 32750[ kJkgK ] es el valor de un carbon estandar y muc es la masa de carbon no-quemado

(unburned carbon):

muc = mr −mash (18)

Con mr la masa de escoria o residuos y mash la masa de ceniza.O bien:

muc = mc −mbc (19)

8.8. Perdidas por Radiacion, Conveccion y Otras

e8 = HHVcarbon −7∑

i=1

ei (20)

8.9. Rendimiento del Evaporador

ηB =ms(hs − hw) + msh,rh∆hsh,rh

mfuel ·HHVcarbon(21)

ηB =e1

HHVcarbon(22)


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