Diseño de Una Caldera Pirotubular de Vapor Saturado Humedo

DISEÑO DE UNA

CALDERA

PIROTUBULAR DE

VAPOR SATURADO

HUMEDO

1

SISTEMAS ENERGETICOS

INDICE

INTRODUCCIÓN: 4

ANTECEDENTES: 5

REALIDAD PROBLEMÁTICA: 6

OBJETIVOS: 7

OBJETIVO GENERALES: 7

OBJETIVO ESPECIFICOS: 7

DESARROLLO: 7

COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR: 7

1. CLASIFICACIÓN DE LOS CALDEROS: 9

a) Por la disposición de los fluidos:

b) Por el mecanismo de transmisión de calor:

c) Por el tipo de combustible empleado:

d) Por la presión de trabajo:

e) Por el tiro

1.1 Calderas Pirotubulares.

1.2 Calderos Acuotubulares

1.3 PRESIÓN Y TEMPERATURA DE TRABAJO DE LAS CALDERAS

1.4 CRITERIOS PRÁCTICOS PARA LA SELECCIÓN DE CALDEROS

1.5 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

BALANCE TÉRMICO 17

9.1º) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE VAPOR DE LA CALDERA: 17

9.2º) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR ÚTIL PRODUCIDA POR

LA CALDERA. 19

9.3º) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR TOTAL Y EFICIENCIA

DE LA CALDERA 20

9.4º) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE COMBUSTIBLE: 21

9.5º) CÁLCULOS EN EL QUEMADOR DE LA CALDERA: 22

9.5.1) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR DEL COMBUSTIBLE: 22

9.5.2) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR DEL AIRE: 22

9.5.3) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DEL AIRE: 23

9.5.4) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE GASES DE COMBUSTIÓN: 23

2


9.5.5) CÁLCULO DE LA RELACIÓN AIRE - COMBUSTIBLE: 23

9.5.6) CÁLCULO DE LA VARIACIÓN DE TEMPERATURA DE

GASES DE COMBUSTIÓN: 24

9.5.7) DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA DE GASES DE

CHIMENEA Y GASES DE COMBUSTIÓN: 25

9.6º) CÁLCULOS EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR: 25

9.6.1) CÁLCULO DEL ∆ T mReal

: 26

9.6.2) CÁLCULO DEL KG: 27

9.6.3) SELECCIÓN DEL MATERIAL Y DIÁMETRO DE

LOS TUBOS DE CALDERA: 28

9.6.5) CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO (Vf) DEL AGUA:29

9.6.6) CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN

EXTERNA (hc¿¿ext .)¿: 32

9.6.7) CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN

INTERNA (hc¿¿∫ .)¿: 34

9.7) CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR: 34

9.7.1) PÉRDIDAS POR CHIMENEA: 35

9.7.2) PÉRDIDAS POR PURGAS: 36

9.7.3) PÉRDIDAS POR RADIACIÓN, CONVECCIÓN Y OTROS. 37

ANEXOS 39

3


INTRODUCCIÓN:

El termino calderas se aplica a un dispositivo para generar,

vapor para fuerza, procesos industriales o calefacción o, agua

caliente para calefacción o para uso en general. Por razones

de sencillez de compresión, a la caldera se le considera como

un productor de vapor en términos generales. Sin embargo

muchas calderas diseñadas para vapor se pueden convertir en

calderas de agua.

Las calderas son diseñadas para transmitir el calor procedente

de una fuente externa (generalmente combustión de algún

combustible), a un fluido contenido dentro de la misma

caldera. Si este fluido no es agua ni vapor, por ejemplo,

Dowtherm (nombre de marca registrada) o mercurio, a la unidad

se le califica como vaporizador (generador de vapores) o como

un calentador de líquidos térmicos.

De cualquier carácter que sea, este líquido debe de estar

dentro del equipo con las debidas medidas de seguridad. El

vapor, o agua caliente, deben ser alimentados en las

condiciones deseadas, es decir de acuerdo con la presión,

temperatura y calidad, y en cantidad que se requiera. Por

razones de economía, el calor debe ser generado y suministrado

con un mínimo de pérdidas.

4


ANTECEDENTES:

Tesis: de la biblioteca de ingeniería

-catalogo –tesis “mecánico eléctrico electrónico” T 006-

473

(autor: Sergio David Ceura Gayoso -2003 UNT)

T006-421”calculo , diseño e instalaciones de un

economizador para una caldera acuotubular de 2900BHP

(autor: Meléndez Fernández Eulalio Renci, año 2005 UNS)

T006-421”recuperación de eficiencia de una caldera

pirotubular por incremento de la calidad del vapor

mediante recalentamiento con gases de combustión (autor:

Santillán Romero, Wagner Yoel) año 2001,UNT.

T006-349”estudio y análisis de los parámetros y

energéticos y su comportamiento al ser estos variados,

para la obtención de la geometría optimo de construcción

de una caldera acuotubular con la creación de un software

de ingeniería”

(Aguilar Medina, Winstón -2005-UNT)

De una caldera pirotubular (T006-324)-2004-UNT.

Libro manual de eficiencia energético de calderas

industriales.

Lima 1002 INTEC/SIN.

Enciclopedia de mecánica ingeniería técnico tomo 6.

Manual de ingeniero mecánico

Manual de ingeniero químico (Jhon Perry)

5


REALIDAD PROBLEMÁTICA:

Hoy en nuestros días el diseño de todo tipos de caldera o por

lo menos los más comunes, en nuestro país la fabricación es

mínimo y la mayor parte se adquiere mediante importación de

otros países los cuales han desarrollado y mejorado esta

tecnología, usando diferentes tipos de combustibles

alternativos, eso para ser mas viable su comprar ya que hay

muchos combustibles alternativos y de acuerdo con la economía

de quien adquiere dicha maquina.

En la industria peruana no se están fabricando esta maquinas y

es por eso que tomamos como consideraciones el aprendizaje y

diseño de las caldera siendo prescindible en la industria y

afín con nuestra carrera dando mayores conocimientos y un

mejor nivel de enseñanza en nuestra universidad. Así mismo

esto no familiariza con la fabricación y el diseño ya que está

ligado a la ingeniería.

6


OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERALES:

Determinar los cálculos numéricos del diseño de una

caldera de vapor saturado (Pirotubular)

OBJETIVO ESPECIFICOS:

Conocer el funcionamiento y parámetros del proceso.

Determinar por medio de cálculos la carga térmica.

Determinar por medio de cálculos número de aletas.

Determinar por medio de cálculos los tipos de aislamiento

térmico.

Hacer un análisis económico de costo de fabricación y de

operación.

7


DESARROLLO:

COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR:

La unidad generadora se compone de un fogón (o cámara de

fuego), en el que se quemará el combustible, así como de la

caldera propiamente dicha, en las unidades de tipo paquete,

tanto como en las grandes centrales de fuerza, están

comprendidos también los quemadores de combustible, al igual

los controles y accesorios similares. En la definición técnica

escueta, se compone como caldera únicamente el cuerpo que

forma el recipiente y las superficies de calefacción por

convección. Con la aparición de las paredes enfriadas por el

agua para el fogón, supercalentadores, calentadores de aire y

economizadores, se creó el término “generador de vapor”, para

dar al equipo una denominación mas apropiada. Cuando el hogar

o cámara de fuego es autocontenido, la palabra caldera se

sobrentiende que describe la unidad generadora de vapor en su

conjunto.

La capacidad de producción de calor (cantidad de vapor o agua

caliente por hora), depende de los siguientes factores:

1. grado de combustión de combustible en el fogón.

2. Extensión de las superficies de calefacción.

3. Proporción en la que se distribuye la superficie, en

áreas de calefacción primarias. (calor radiante) y

secundarias (calefacción por convección).

4. La circulación del vapor o del agua y la de los gases de

la combustión.

Para mantener la combustión, es necesario suministrar

cierta cantidad de aire y remover los productos

resultantes de dicha combustión, mediante el tiro. Si la

acción del tiro natural (efecto de la chimenea) es

insuficiente, se utiliza un ventilador (para tiro

forzado, tiro inducido o la combinación de ambos).

8


En las grandes unidades generadoras de vapor de las

centrales termoeléctricas, el aire para la combustión es

precalentado (en una calentador de aire) y el agua de

alimentación es igualmente calentada en un economizador,

por medio del calor residual de los gases de la

combustión.

Estos dispositivos mejoran la eficiencia general de la

unidad. Si se desea sobre calentar el vapor por encima de

la temperatura de saturación (que generalmente sólo se

requiere para el impulso de turbinas), se agrega a la

caldera un supercalentador. Frecuentemente se vuelve a

calentar el vapor (después del primer paso de la turbina),

mediante un recalentador Dispositivos de tubos

antiespumante y otros mecanismos ( de montaje interno),

eliminan gotas de agua contenidas en el vapor, para que

este llegue completamente seco a la tobera.

La salida de la caldea puede estar dotada de tapones

roscados, o bien de grifos con bridas, otros orificios se

destinada a la colocación de instrumentos, conexiones de

agua de alimentación, drenes, purgas, orificios de

registros y para otros propósitos por el estilo. Un

montaje adecuando debe comprender una base, ménsulas de

apoyo o tirantes colgantes de amarres.

2. CLASIFICACIÓN DE LOS CALDEROS

Los calderos se clasifican según diferentes criterios

relacionados con la disposición de los fluidos y su

circulación, el mecanismo de transmisión de calor

dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de

trabajo, el tiro, el modo de operación y parámetros

9


exteriores al caldero ligados a la implantación, y

ubicación, lugar de montaje y aspectos estructurales.

Para el efecto de nuestro estudio, solo nos fijaremos en

los criterios que tengan alguna relación con la energía. De

acuerdo con ello, clasificaremos los calderos según los

criterios siguientes:

a) Por la disposición de los fluidos:

De tubos de agua (acuotubulares)

De tubos de humo (pirotubulares).

Por circulación de agua:

De circulación natural

De circulación asistida

De circulación forzada.

b) Por el mecanismo de transmisión de calor:

De convección.

De radiación

De radiación y colección

c) Por el tipo de combustible empleado:

De carbón mineral (parrilla o carbón pulverizado)

De combustible líquidos

De combustible gaseoso

De combustible especial (leña, bagazo, etc)

De recuperación de calor de gases (con o sin

combustión de apoyo).

Mixtos.

Nucleares.

d) Por la presión de trabajo:

Subcríticas.

De baja presión p < 20 Kg/cm2.

De media presión 64 > p > 20 Kg./cm2

De alta presión p > 64 Kg/cm2

10


Supercríticas.

e) Por el tiro

De tiro natural

De tiro forzado

De tiro inducido.

2.1 Calderas Pirotubulares.

En este tipo de calderos, los gases calientes fluyen

por el interior de tubos que son sumergidos en agua

dentro de un casco. Las presiones operativas de

diseño son próximas a 150 psi y sus capacidades varían

entre 10 y 800 BHP, equivalentes a producciones de

vapor de 345 y 27600 lb/hr de vapor aproximadamente.

Este tipo de caldero es el más popular y es usado

en la mayoría de pequeñas plantas industriales.

Las ventajas de los calderos pirotubulares son:

Requieren bajo costo de inversión y son menos costosos

que los acuotubulares.

Alcanzan elevadas eficiencias (> 80%).

Pueden absorber grandes y súbitas fluctuaciones de

carga con ligeras variaciones de presión debido al

gran volumen de agua contenido en el casco.

Pueden operar inmediatamente después de ser instalado

en planta

2.2 Calderos Acuotubulares

El agua fluye a través de los tubos que son rodeados

por gases calientes de combustión en el interior de un

casco. Usualmente, su capacidad se expresa en libras

de vapor por hora y varía en un rango entre 2000 lb/h

a 10 000 000 lb/h de producción de vapor. Otras

características son las siguientes:

Se emplean para producir vapor de mayores niveles de

presión que los pirotubulares.

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Requieren más instrumentación y mayores controles que

los pirotubulares.

Son construidos y clasificados como A, D, O una de

otras varias configuraciones, de acuerdo a sus

arreglos de tubos y domos (el domo de vapor está en la

parte superior y el (los) domo (S) de agua cerca del

fondo.

TABLA 1. EFICIENCIA DE CALDEROS

Combustible Pirotubular

(1 000 hp)

Acuotubular

(956 hp)

Gas natural

Diesel 2

Residual 6

81,2%

84,7 %

85,0 %

78,5 %

91,0%

81,4%

La tabla 1 compara las eficiencias de los calderos

pirotubulares y acuotubulares, en función del combustible

utilizado.

12


2.3 PRESIÓN Y TEMPERATURA DE TRABAJO DE LAS CALDERAS

Desde el punto de vista de la elección de la presión más

conveniente para un caldero, podemos clasificar a éstos en

tres grandes grupos:

Calderos destinados a suministrar vapor saturado para

procesos de calefacción.

Generadores de vapor recalentado para alimentar

turbinas a contrapresión y aprovechar el vapor de salida,

después de saturado, para procesos de calefacción.

Generadores de vapor recalentado para la producción de

energía eléctrica en turbinas de condensación.

La elección de la presión del primer grupo es inmediata.

Como agente de la calefacción se utiliza vapor saturado, ya

que el vapor recalentado tiene las propiedades de un gas y

su coeficiente de transmisión de calor es muy pequeño.

Puesto que un buen intercambiador de calor mantiene

caliente un fluido a una temperatura aproximada de 10° C a

15° C por debajo de la temperatura del vapor calefactor,

partiendo de la temperatura necesaria en el fluido a

calentar se deducirá la temperatura requerida en el vapor a

la salida del caldero, tomando en cuenta las pérdidas de

calor en el transporte. Por medio de las tablas Presión-

temperatura, se determina la presión a la cual se tendrá

que producir el vapor saturado, para fluidos porta

calóricos y aceites térmicos.

2.4 CRITERIOS PRÁCTICOS PARA LA SELECCIÓN DE CALDEROS

La gran variedad de tipos de calderos existentes y

múltiples posibilidades de conformación de los equipos

que integran un sistema de generación de vapor podrían

hacer parecer como algo muy complejo la selección de un

determinado caldero para atender un requerimiento

industrial de vapor, agua caliente o calentamiento de

fluidos térmicos.

13


En el caso de calderos pirotubulares, la selección de

equipos de uno, dos, tres o cuatro pasos obedece a

criterios técnicos y económicos. Mientras mayor sea el

número de pasos se conseguirá mayores eficiencias, pero los

equipos serán más caros.

En el caso de calderas acuotubulares, hasta cierta

capacidad podrá ser tipo paquete, pero a partir de cierto

límite, variable para cada caso, resultará conveniente

montarlos en planta. La decisión respecto a la instalación

de economizadores y recuperadores de calor obedece

igualmente a criterios de factibilidad técnica y

conveniencia económica, en función de la capacidad de

producción de vapor de los calderos y sus presiones de

operación que conviene establecer, para evitar confusiones,

en la práctica industrial se llama economizador al sistema

que permite aprovechar el calor de los gases de cuya

función es la de precalentar el aire para la combustión.

2.5 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

El calor puede transferirse de una sustancia a otra por el

proceso físico de mezclar una sustancia caliente con otra

fría. Cuando se transfiere calor en esta forma, el proceso

se conoce como convección. Sin embargo, prácticamente en

todos los casos una cierta cantidad de calor se transfiere

simultáneamente por conducción aunque la transferencia de

calor sea por convección. Puesto que no es práctico

diferenciar entre convección y conducción cuando ambas se

presentan en el mismo punto, se ha establecido un

procedimiento simplificado que toma en cuenta ambos tipos

de transferencia. Este sistema utiliza el concepto de

coeficiente de transferencia de calor de una película.

Coeficiente de película

Cuando un fluido fluye más allá de una superficie

estacionaria, se postula que existe una película delgada

14


del fluido entre el fluido que fluye y la superficie

estacionaria. Se supone que toda la resistencia a la

transmisión del calor entre el fluido que fluye y la pared

que lo contiene se debe a la película sobre la superficie

estacionaria. El perfil de temperatura está por lo tanto

divido en cinco regiones.

Región A. Hay una transferencia de calor por convección

debida al movimiento de los elementos del fluido.

Región B. Esta región comprende a la película del fluido

donde la velocidad es tan lenta que no hay transferencia

por convección. En consecuencia, la transferencia de calor

en esta región es por conducción.

Región C. Esta región está compuesta por el material sólido

de la pared del tubo a través del cual se transfiere calor

por conducción.

Regiones D y E. Estas regiones en el fluido más frío

corresponden a B y A respectivamente, para el fluido dentro

del tubo.

Al estudiar el perfil de temperatura se puede ver que los

cambios más pronunciados en temperatura se presentan en las

dos regiones de las películas. Esto se debe a que la

conducción en esta zona hace que la transferencia de calor

sea lenta. Los problemas de transferencia de calor como

éste se resuelve aplicando coeficientes individuales de

transferencia de calor a las dos corrientes de fluido. Los

coeficientes separados se combinan con la resistencia de la

pared para obtener un coeficiente general de resistencia.

15

CALDERA PIROTUBULAR

16

BALANCE TÉRMICO

A continuación mostraremos el esquema que será de estudio

y análisis para el diseño de una Caldera Pirotubular* de Vapor

Saturado Húmedo con todos sus parámetros:

Luego comenzaremos a hacer los cálculos respectivos para

el Diseño de la Caldera Pirotubular:

9.1º) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE VAPOR DE LA

CALDERA:

a) Como datos requeridos para el diseño tenemos:

La Calderaes de100 BHP ;P SALIDACALDERA

=5 y X=0.97

Donde:

100 BHP = La Potencia de la Caldera Pirotubular.

* En Anexos se muestra las dimensiones para una Caldera Pirotubular de 100 BHP

17


5 Bar = La Presión Manométrica de salida de la Caldera.

0.97 = La Calidad del Vapor producido por la Caldera

⇒Por fórmula teóricasabemos que :h=hf +x (hg−h f ) donde :

h = Entalpía Específica para una calidad determinada ( KjKg )

hf = Entalpía del Líquido Saturado ( KjKg )

x = Calidad del vapor

hg = Entalpía del Vapor Saturado Seco ( KjKg )

De acuerdo a la tabla en anexos, colocamos los valores

para las Entalpías:

⇒h6 ¿=(2693.57

KjKg)¿

b) Luego cambiamos de unidades el h9.5 ¿¿ de Kj/Kg a Btu/Lb:

⇒h

6 ¿=(2693.57KjKg)(0.43

BtuLbKjKg

)=1158.24BtuLb

¿

c) A continuación hallamos el hAgua a 55ºC. Para esto

necesitaremos el Calor Específico (Cp) del Agua a 55ºC y lo

calculamos por medio de Tabla:

⇒h Agua=(Cp ) (T )=(4.19075Kj

Kg℃ )(5 5℃ )=230.065KjKg

d) Luego cambiamos de unidades el hAgua de Kj/Kg a Btu/Lb:

⇒h Agua=230.065KjKg (0.43

BtuLbKjKg

)=98.93BtuLb

18

T (℃) Cp(Kj / Kg° C)55 4.181


e) Ahora con estos datos procedemos a trabajar con la

Potencia de la Caldera de 300 BHP para hallar el flujo másico

de vapor total a evaporar ˙(m¿¿Vapor)¿¿, aplicando la siguiente

fórmula:

BHP=˙

(m¿¿Vapor)Lbh

¿¿¿¿

⇒100 BHP=

˙(m¿¿Vapor)(1158.24−98.93)

BtuLb

(34.5Lbh )(970.30

BtuLb )

⇒ mVapor=(3160.109Lbh )=0.398

Kgs

¿¿

Siendo 34.5Lbh el flujo unitario de vapor y 970.30

BtuLb

es el

calor latente de vaporización.

9.2º) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR ÚTIL PRODUCIDA

POR LA CALDERA

a) Para esto procedemos a emplear la fórmula de Cantidad

de Calor Total aprendida en clase, de la cual despejamos el QÚtil

de la Caldera:

QT=QG.C .=(QComb .)+(QAire )=QÚtil

n donde:

QT = Cantidad de Calor Total de la Caldera. ( KjKg )

QG. C . = Cantidad de Calor de Gases de Combustión. ( KjKg )

QComb . = Cantidad de Calor del Combustible ( KjKg )

QAire = Cantidad de Calor del Aire. ( KjKg )

QÚtil = Cantidad de Calor Útil de la Caldera. ( KjKg )

n = Eficiencia de la Caldera.

19


b) Entonces despejamos el QÚtil de la Caldera y lo

reemplazamos por la fórmula: QÚtil=(mVapor )¿

⇒QÚtil=(0.398Kgs )(2693.57

KjKg

−230.065KjKg )=980.48 Kw

9.3º) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR TOTAL Y

EFICIENCIA DE LA CALDERA

a) Para esto, según investigaciones hechas, encontramos

una Eficiencia de Caldera recomendada según el tipo de

Combustible a utilizar de la Tesis: “INCREMENTO DE LA CALIDAD DEL

VAPOR GENERADO POR RECALENTAMIENTO CON GASES DE COMBUSTIÓN DE UNA CALDERA

PIROTUBULAR VERTICAL A CARBÓN”, la cual utilizaremos para hacer

nuestros cálculos de balance térmico:

Entonces, del cuadro mostrado, tomaremos una Eficiencia

del 85% para nuestra Caldera, ya que esta utilizará como

combustible el Petróleo Residual. Ahora, con la fórmula

teórica de Eficiencia podemos hallar el Q Total:

nCaldera=QÚtil

Q TotalCaldera

⇒QTotal=QÚtil

n=980.48 Kw

0.85=1153.50 Kw

b) A continuación, de lo aprendido en Termodinámica,

mostraremos el diagrama Temperatura-Entropía (T-s) de nuestro

sistema:

20

TABLA Nº1

COMBUSTIBLE EFICIENCIA RECOMENDADA (%)

Carbón 75Petróleo Residual 85 Petróleo Diesel 85Gas Natural 90


9.4º) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE COMBUSTIBLE:

Ahora comenzamos a calcular el Flujo másico del

combustible (mComb .), para esto necesitamos la Densidad del

combustible (ρ), según anexos tenemos las densidades del D2:

⇒mComb .=(C . E ) ( ρ. Comb .)=(3 4.5Gal .

h )(2.983Kg

Gal . )( 1 h3600 s )=0.028587

Kgs

9.5º) CÁLCULOS EN EL QUEMADOR DE LA CALDERA:

21


a) Como dato teórico tenemos nuestra fórmula:

QTotal=QComb .+QAire=( mComb .) ( P .C . I +Cp. T )+(mAire) (Cp ' )(T Ent .)

Donde:

mComb . = Flujo másico del Combustible (Kg/s)

P .C . I = Poder Calorífico Inferior del Combustible (Kj/Kg)

Cp = Calor Específico del Combustible (Kj/KgºC)

T = Temperatura del Combustible (ºC)

mAire = Flujo másico del Aire (Kg/s)

Cp ' = Calor Específico del Aire (Kj/KgºC)

T Ent . = Temperatura de Entrada de Aire (ºC)

b) Entonces, según los datos tenemos los siguientes

datos:

¿¿CpComb .=4. 2 0Kj

Kg℃ ¿¿ PCI=39765

KjKg

¿¿T entra.Comb .

=20 º C

¿¿T Ent .Aire

=20℃

Ahora, con estos datos de anexos y los cálculos hechos de

los flujos másicos, procederemos hacer los siguientes

cálculos:

9.5.1) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR DEL COMBUSTIBLE:

QComb .=(mComb . ) ( P .C . I+Cp . T . )

⇒QComb .=(0. 02 8587Kgs )¿

9.5.2) CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR DEL AIRE:

QAire=QTotal−QComb .

⇒QAire=1153.50 Kw−1139.16 Kw=14.34 Kw

9.5.3) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DEL AIRE:

22


Ahora, con la fórmula del QAire=(mAire) (Cp ' )(T Ent .), calculamos el

mAire, pero para esto necesitamos saber primero el Cp del Aire

a 20ºC, de lo cual extraeremos datos de las propiedades del

aire:

⇒mAire=QAire

(Cp ' )(T EntradaAire

)= 14.34 Kw

(1.0065Kj

Kg℃ )(20℃)=0.7122

Kgs

9.5.4) CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE GASES DE COMBUSTIÓN:

Para hallar el Flujo Másico de los Gases de Combustión

(mG. C .) aplicamos la siguiente fórmula aprendida en clase:

mG. C.=mComb .+mAire=0. 02 8587Kgs

+0.7122Kgs

=0.740787Kgs

9.5.5) CÁLCULO DE LA RELACIÓN AIRE - COMBUSTIBLE:

23


Para hacer esta relación, lo calculamos con los flujos

másicos de ambos parámetros, aplicando la siguiente fórmula:

r A−C=mAire

mComb .

Donde:

r A−C = Relación aire – combustible

⇒r A−C=0.7122

Kgs

0.0 28587Kgs

=2 4.91

Entonces, la Relación Aire – Combustible es 24.91: 1. Esto

quiere decir que para la combustión se necesita 24.91 Kg/s de

aire para quemar 1 Kg/s de combustible.

DIMENSIONAMIENTO DE ABLANDADORES DE AGUA.

24


9.5.6) CÁLCULO DE LA VARIACIÓN DE TEMPERATURA DE GASES DE

COMBUSTIÓN:

a) De la teoría tenemos que el QTotal=QG. C .. Entonces

despejamos ∆ T G. C .(Variación de Temperatura) de la fórmula del

QG. C .=( mG .C .) (Cp )(∆ TG .C .) y agregamos el Cp=1.403Kj

m3℃ para los gases

de combustión en el quemador al 100% del combustible R-6.

b) Pero como el Cp está en unidades de Kj

m3℃, entonces

convertimos los Flujos másicos del Combustible y del Aire de

Kgs a Flujos volumétricos m3

s utilizando las siguientes

densidades:

¿¿ ρm. Comb .=945.45Kg

m3aTemperatura mediade72.5℃

¿¿ ρAire=1.1915Kg

m3a Temperatura de24℃

⇒ vComb .=mComb .

ρm .Comb .

=0.0832

Kgs

945.45Kg

m3

=8.8 x10−5 m3

s

⇒ v Aire=mAire

ρAire

=2.478

Kgs

1.1915Kg

m3

=2.08m3

s

c) Entonces, sumamos ambos flujos para obtener el Flujo

Volumétrico de los Gases de Combustión (vG.C .):

vG.C .=8.8 x10−5 m3

s+2.08

m3

s=2.080088

m3

s

25


d) Ahora, con los datos obtenidos, reemplazamos en la

siguiente fórmula y hallamos la ∆ T G. C .:

∆ T G. C .=QG.C .

( vG .C .) (Cp )= 3474.55 Kw

(2.080088m3

s )(1.403Kj

m3℃ )=1190.58℃

9.5.7) DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA DE GASES DE

CHIMENEA Y GASES DE COMBUSTIÓN:

Para determinar la Temperatura de Gases de Chimenea nos

basamos en la tesis de “INCREMENTO DE LA CALIDAD DEL VAPOR

GENERADO POR RECALENTAMIENTO CON GASES DE COMBUSTIÓN DE

UNA CALDERA PIROTUBULAR VERTICAL A CARBÓN”, la cual nos dice

que la temperatura ideal tiene que estar en el rango de 180 a

280 ºC, entonces tomaremos un valor promedio de 230 ºC por ser

el R6 un combustible muy pesado. Entonces la temperatura de

gases de combustión es:

⇒T G.C .=∆T G. C .+T CH .=1190.58℃+230℃=1420.58℃

9.6º) CÁLCULOS EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR:

Para esto tenemos un Intercambiador de Calor en

Contracorriente con 3 pasos en la caldera, y aplicaremos la

Fórmula del Q total para hallar sus parámetros:

QTotal=( KG ) ( S I . C .)(∆ T mReal )

Donde:

KG = Coeficiente de Transferencia Global de Calor. (W/m2ºK)

S I .C . = Superficie Lateral del Intercambiador de Calor. (m2)

∆ T mReal = Variación media Logarítmica Real de Temperatura. (ºK)

Ahora, de estos 3 parámetros, conocemos la Superficie de

Calentamiento o del Intercambiador de Calor según las

26


especificaciones técnicas para una caldera de 300 BHP, la cual

nos dice que:

S I .C .=1500 pie2=139.3545 m2

Entonces, procederemos a calcular los siguientes

parámetros que faltan:

9.6.1) CÁLCULO DEL ∆ T mReal:

a) Obtenidas las temperaturas de los Gases de Combustión y

del vapor, procedemos a hacer nuestro diagrama de temperatura

para Intercambiador en Contracorriente:

b) Ahora aplicamos la fórmula del ∆ T mReal:

∆ T mReal

=(ϵ )(∆ T m)

Donde:

ϵ = Factor de Corrección de Temperatura.

∆ T m = Variación media Logarítmica de Temperatura. (ºK)

c) Entonces calculamos primero el Factor de Corrección(ϵ ),

lo hacemos mediante un diagrama de Factor de Corrección para

Intercambiadores de Un cuerpo y Tres pasos (1-3), conociendo

primero los valores de Z y P:

27


Z=T 1−T 2

T '2−T '1

P=T ' 2−T ' 1

T 1−T '1

Donde:

T 1 = Temperatura de Entrada de los Gases de Combustión.

T 2 = Temperatura de Gases de Chimenea

T ' 1 = Temperatura de Agua

T ' 2 = Temperatura de saturación del Vapor.

⇒Z=1420.58℃−230℃177.67℃−75℃

=11.6 y P= 177.67℃−75℃1420.58℃−75℃

=0.07

De acuerdo al diagrama, obtenemos un valor aproximado del

Factor de Corrección(ϵ ) en función a Z y P: ϵ=0.99

d) Luego calculamos el ∆ T m tomando los datos del diagrama

de las temperaturas:

∆ T m=∆ T máx.−∆ Tmín .

ln(∆ T máx.

∆ T mín.)

=1242.91° K−155 ° K

ln( 1242.91° K155° K )

=522.58 ° K

e) Ahora hallamos el ∆ T mReal:

∆ T mReal

=(0.99 ) (522.58° K )=517.35 ° K

9.6.2) CÁLCULO DEL KG:

a) Conocido la Superficie del Intercambiador de Calor (S I .C .

) y el ∆ T mReal , reemplazamos en la fórmula del QTotal y despejamos

el KG :

KG=QT otal

(S¿¿ I . C .)(∆ T mReal )=

(3474.55) (103 ) w(139.3545 m2 )(517.35 ° K )

=48.2w

m2° K¿

28


Entonces, según investigaciones hechas, vemos que este

valor se mantiene dentro del rango establecido para tuberías

circulares, como nos muestra la siguiente tabla:

(Tabla de coeficientes totales típicos para diseño)

b) Ahora, de lo aprendido en teoría, tenemos que el:

KG= 11

hc∫ .

+1

hcext .

+δ

kTub.

Donde:

hc∫ . = Coeficiente de Convección Interna del gas de combustión

hacia la pared interna de la tubería.

hcext . = Coeficiente de Convección Externa de la pared externa de

la tubería hacia el vapor.

δ = Espesor de la Tubería

k Tub. = Coeficiente de conductividad térmica de la tubería.

Pero esta fórmula es solo para paredes planas, sin

embargo, si se utiliza tubos cilíndricos para la transferencia

de calor, entonces la fórmula del KG sería:

KG= 1

( 1hc∫ .)(

D ext.

D∫ . )+( δkTub.

)( Dext .

Dm)+( 1

hcext .)

Donde:

29


Dext . = Diámetro exterior del tubo (m)

D∫ . = Diámetro interior del tubo (m)

Dm = Diámetro medio del tubo (m)

*) Para tubos con espesor de hasta 3/8 de pulgada

Dm=(Dext .+D∫ .)

2

*) Para tubos con espesores mayores de 3/8 de pulgada

Dm=Dext .−D∫ .

ln (D ext.

D∫ . )En esta fórmula del KG no se tiene en cuenta los factores

de ensuciamiento. Entonces, nuestro siguiente paso será

calcular los Coeficientes de Convección, pero para eso

necesitaremos hallar otros parámetros que influyen en el

cálculo de los coeficientes de convección:

9.6.3) SELECCIÓN DEL MATERIAL Y DIÁMETRO DE LOS TUBOS DE

CALDERA:

En este caso, utilizaremos tubos sin costura de acero

inoxidable según Norma ASTM A 192, que es exclusivamente para

calderas pirotubulares de alta presión.

Según informaciones técnicas y de acuerdo a la potencia de

la caldera (300 BHP), utilizaremos un tubo con diámetro

nominal de 4 pulg. Para esto, la tabla de la Norma ASTM A 192

nos indica usar las siguientes dimensiones:

DIÁMETRO NOMINAL

DIÁMETRO EXTERIOR

DIÁMETRO INTERIOR

ESPESOR PESO

Pulg. mm. mm. mm. Kg/m

4 101.60 93.68 3.96 9.53

9.6.4) CÁLCULO DEL Nº DE TUBOS:

30


Conociendo la Superficie de Calentamiento o del

Intercambiador de Calor, haremos el cálculo del número de

tubos. Para esto, necesitaremos conocer la longitud del tubo

para hacer el cálculo.

Ahora, de las dimensiones de la caldera con 3 pasos que se

muestra en anexos, tenemos que hay 2 longitudes de tubo:

Lt−1=150 pulg .=3.81m. ← Longitud del tubo parael 3 ° paso

Lt−2=1343 /4 pulg.=3.42m. ← Longitud del tubo parael 2° paso

Entonces, aplicando la fórmula del Área de Calentamiento,

tenemos:

S I .C .=(π ) ( D∫ . )(L¿¿ t−1) (n )+(π ) ( D∫ . )(L¿¿ t−2)(n)¿¿

Donde:

D∫ . = Diámetro interno del tubo (m.)

n = Número de tubos

139.3545 m2=( π ) (0.09368 m )(3.81m)( n )+ (π ) (0.09368 m )(3.42 m)(n)

n=65.49 ≈ 66 tubos

Entonces, se necesitará 66 tubos para el 2º paso y 66

tubos para el 3º paso. En total 132 tubos.

9.6.5) CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO (Vf) DEL AGUA:

a) Primero, calcularemos el Área de paso por donde fluirá

el agua a través de los tubos y el fogón. Entonces nos

guiaremos de las dimensiones del dibujo y calcularemos sus

áreas:

31


Donde:

A-1 = Es el área interna de la caldera a calcular.

A-2 = Es el área del vapor + 15 cm. a calcular.

A-3 = Es el área externa del fogón a calcular.

A-4 = Es el área externa total de los tubos a calcular.

Entonces, el Área de Paso (AP) será calculada con la

siguiente fórmula:

AP=A1−( A2+ A3+ A4)

* Calculando el área de la caldera con D=84 pulg.=2.1336 m.

tenemos:

A1=π D2

4=

π (2.1336 m)2

4=3.575 m2

32

θ r

L

r – L= 0.3834 m.

rα


* Calculando el área del vapor con L=21 pulg.+15 cm .=0.6834 m

tenemos:

A2=π r2θ360°

−r2

2(senθ)

Donde:

r = Radio interno de la caldera = 42 pulg. = 1.0668 m.

θ = Ángulo del sector circular

L = Altura de la 1ª fila de tubos = 0.6834 m.

⇒cos α=0.3834 m1.0668 m

α=68.93 °

⇒θ=2 (α )=2 (68.93° )=137.87 °

Ahora, reemplazamos en la fórmula de A2:

A2=π (1.0668 m )2(137.87 °)

360°−

(1.0668 m )2

2( sen137.87 ° )=0.9875 m2

* Calculando el área externa del fogón con

D=34 pulg .=0.8636 m. tenemos:

A3=π D2

4=

π (0.8636 m)2

4=0.5857 m2

* Calculando el área externa total de los 132 tubos (n ) con

D=4 pulg.=0.1016 m . tenemos:

A4=π D2

4( n )=π (0.1016 m)2

4(132 )=1.0702m2

Ahora reemplazamos en la fórmula del Área de Paso (AP) y

obtenemos:

AP=(3.575 m2)−(0.9875 m2+0.5857 m2+1.0702 m2)

AP=0.9316 m2

b) A continuación, hallaremos el caudal del agua (m3/s)

con la siguiente fórmula:

33


v= mρm

Donde:

v = Caudal del agua (m3/s)

m = Flujo másico del agua = Flujo másico del vapor = 1.23 Kg/s

ρm = Densidad media del agua a una T m (ºC)

⇒T m=T Agua+T Vapor

2=75℃+177.67℃

2=126.33℃

Interpolando de tabla tenemos : ρm=937.7Kg

m3

⇒ v=1.23

Kgs

937.7Kg

m3

=1.31 x10−3 m3

s

c) Ahora, con este dato, podemos hallar la velocidad de

flujo del agua (m/s) con la siguiente fórmula:

V f =v

AP

=1.31 x10−3 m3

s0.9316 m2 =0.0014

ms

9.6.6) CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN EXTERNA

(hc¿¿ext .)¿:

a) Primero, calcularemos el número de Reynolds con la

siguiente fórmula:

ℜ=( V f ) (D)

ν

Donde:

V f = Velocidad de flujo del agua (m/s)

D = Diámetro exterior del tubo (m)

ν = Viscosidad cinemática del agua (m2/s)

34


Para esto, necesitaremos calcular algunas propiedades

térmicas del agua haciendo la interpolación a Temperatura

media T m=126.33℃ :

PROPIEDADES DEL AGUATemperaturaMedia ºC

ConductividadTérmica “k” (W/mºC)

Visc. Cinemá. “v”.106 (m2/s)

Nº de PrandtPr

126.33 0.6856 0.2365 1.38

⇒ℜ=(0.0014

ms )(0.1016 m)

0.2365 x 10−6 m2

s

=601.44

b) Como el cálculo del coeficiente de convección se

realiza en el tubo exterior, calcularemos el Nº de Nusselt con

la siguiente fórmula teórica:

Nu=(C ) (ℜm )(Prn)

Donde:

n = 0.36 en tubo exterior

C , m = son valores obtenidos

de tabla

⇒Nu= (0.51 ) (601.440.5 ) (1.380.36 )=14.04

c) Ahora, con este dato, calcularemos el Coeficiente de

convección interna:

hcext .=( Nu )(k)

D=

(14.04 )(0.6856w

m℃)

0.1016 m=94.74

w

m2℃

9.6.7) CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN INTERNA

(hc¿¿∫ .)¿:

35

VALORES DE C y m SEGÚN EL Nº DE REYNOLDS

Re C m1 - 40 0.75 0.40

40 – 103 0.51 0.50103 – 2x105 0.26 0.602x105 - 106 0.076 0.70


Sabiendo que el Coeficiente global de transferencia de

calor es KG=48.2w

m2 ° K , y habiendo calculado el coeficiente de

convección externa, reemplazamos estos datos en la fórmula del

KG para obtener el Coeficiente de convección interna.

Ahora, por especificaciones técnicas del material del tubo

ASTM A 192, tenemos los siguientes datos:

δ=0.00396 m k=21.98Kcal

h . m .℃=25.56

wm℃

Donde:

δ = Espesor del tubo (m)

k = Conductividad térmica de la tubería obtenida a temperatura

media de los gases de combustión (w/mºC)

⇒KG=48.2w

m2° K= 1

( 1hc∫ .)( 0.1016 m

0.09368 m )+( 0.00396 m

25.56w

m℃ )( 0.1016 m0.09764 m )+( 1

94.74w

m2℃ )hc∫ .

=108.12w

m2℃

9.7) CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR:

Las pérdidas de calor que se generan en el funcionamiento

de una caldera son:

A) Pérdidas en chimeneas.

B) Pérdidas por radiación, convección y contacto de la

caldera con su retorno.

C) Pérdidas por purga

Para calcular las pérdidas de calor se puede hacer de 2

maneras: por el método directo o por el método indirecto.

Entonces, la pérdida de calor por el método directo es de la

siguiente manera:

QPerdidoCaldera

=(QTotal ) (1−nCaldera)=(3474.55 Kw ) (1−0.85 )=521.182 Kw

36


Por el método indirecto, las pérdidas serían:

9.7.1) PÉRDIDAS POR CHIMENEA:

Las pérdidas que se generan en la combustión y que salen a

través de la chimenea son dos:

PC . S . = Pérdidas por calor sensible.

PG. I . = Pérdidas de calor por gases inquemados.

a) Ahora calcularemos las pérdidas de calor sensible con

la fórmula de Siegert:

PC . S .=( K )(TCH .−T a

CO2)en%

Donde:

T CH . = Temperatura de gases de chimenea = 280ºC

T a = Temperatura de medio ambiente = 24ºC

CO2 = Contenido del gas CO2 en (%)

K = Constante adimensional. En este caso, según fuentes, para

el petróleo residual sería:

K=0.516+(0.0067)(CO2)

La composición de gases para el residual 6, lo hemos

tomado de la tesis “ANÁLISIS COMPARATIVO DEL USO DE PETROLEO

RESIDUAL Nº6 Y GAS NATURAL COMO COMBUSTIBLE EN CALDERAS

ACUOTUBULARES” el cual nos muestra una tabla de porcentajes

de los gases de combustión del R6; donde el porcentaje de CO2

es 12.8% y CO es 0.159%

Entonces con este valor hallamos la constante adimensional

“K” y las pérdidas de calor por chimenea:

⇒K=0.516+(0.0067 ) (12.8 )=0.60176

PC . S .=(0.60176 )( 280℃−24℃12.8 )=12.03 %

37


b) A continuación calcularemos las pérdidas de calor por

gases inquemados con la siguiente fórmula:

PG. I .=(K ¿¿1)( (V C . ) (3020 )(CO)PCI )en% ¿

Donde:

CO = Contenido del gas CO en (%)

V C . = Volumen de gases de combustión (Nm3/Kg)

PCI = Poder calorífico inferior del combustible = 9700 Kcal/Kg

3020 = Poder calorífico inferior del CO (Kcal/Nm3)

K1 = Constante adimensional. En este caso, según fuentes, para

el petróleo residual sería K1=1.8

Para obtener el volumen de gases de combustión nos regimos

de la fuente http://www.energuia.com donde nos muestra una gráfica

de cómo obtener el volumen de los gases de combustión en

relación de su PCI y su exceso de aire, ahora para el exceso

de aire también nos muestra un gráfico de cómo podemos

hallarlo. En consecuencia:

V C .=13.5N m3

Kg

Entonces reemplazamos estos valores en la fórmula del PG. I .

y obtenemos:

PG. I .=(1.8 )((13.5N m3

Kg )(3020KcalN m3 ) (0.159 )

9700KcalKg

)=1.203 %

c) Ahora las pérdidas por chimenea sería la suma de ambas

pérdidas:

PCH .=PC . S .+PG .I .=12.03 %+1.203 %=13.23 %

9.7.2) PÉRDIDAS POR PURGAS:

38

http://www.energuia.com/


En este caso nos basaremos en la fórmula de la tesis

“INCREMENTO DE LA CALIDAD DEL VAPOR GENERADO POR

RECALENTAMIENTO CON GASES DE COMBUSTIÓN DE UNA CALDERA

PIROTUBULAR VERTICAL A CARBÓN”, donde nos señala que la

pérdida por purgas de sedimentos es:

PP=(mP) (C p )(T S−T a)

(mC)(PCI )en%

Donde:

mP = Caudal de purgas = Caudal del agua = 4428 Kg/h

C p = Calor específico del agua en la caldera (Kj/KgºC)

T S = Temperatura del líquido saturado en la caldera = 177.67 ºC

T a = Temperatura de medio ambiente = 24ºC

mC = Caudal del combustible = 0.0832 Kg/s = 299.52 Kg/h

PCI = Poder calorífico inferior del combustible= 40611.96 Kj/Kg

Ahora, el C p del agua en la caldera tenemos que

interpolarlo a temperatura media:

⇒T m=T Agua+T Vapor

2=75℃+177.67℃

2=126.33℃

Interpolando de tabla tenemos :Cp=4.255Kj

Kg℃

Entonces reemplazamos los datos y obtenemos:

PP=(4428

Kgh

)(4.255Kj

Kg℃ )(177.67℃−24℃)

(299.52Kgh )(40611.96

KjKg )

=0.238 %

9.7.3) PÉRDIDAS POR RADIACIÓN, CONVECCIÓN Y OTROS:

En este caso, existen fórmulas para calcular las pérdidas

por radiación, sin embargo optaremos por hacer la diferencia

del calor perdido total (obtenido directamente) menos las

pérdidas de calor obtenidas indirectamente:

PR,C , O=PT−(PCH .+PP)

39


Donde:

PR,C , O = Pérdidas de calor por radiación, convección y otros (%)

PT = Pérdida de calor total = 15%

PR,C , O=15 %−(13.23 %+0.238 % )=1.532 %

Entonces, estas pérdidas por radiación y convección son

adsequibles, ya que para eso existe una tabla donde hace la

estimación de las pérdidas de calor por radiación, convección

y otros en función de la capacidad de la caldera nueva.

Tamaño de caldera (BHP)

Requerimiento de energía MJ/h % Pérdidas

<50 1256 < 10.050 1674 3.060 2009 2.570 2343 2.580 2678 2.3

100 3348 2.0125 4184 2.5150 5021 2.0200 6695 1.5250 8369 1,3300 10 043 1,8350 11716 1,3400 13390 2,0

500 16738 1,8600 20085 1,3

*Cortesía: Operación y control de calderas Industriales TECSUP calderas Kewanee Classic I

40


ANEXOS

TABLA 1

41


TABLA 2

TABLA 3

Libro: Intercambiadores de Calor: Autor Luis Moncada Albitres

42


TABLAS TERMODINAMICAS

43


44


45


TABLA 4 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL ACERO INOXIDABLE TIPO

FERRÍTICO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

SEGÚN TESIS:

“INCREMENTO DE LA CALIDAD DEL VAPOR GENERADO POR

RECALENTAMIENTO CON GASES DE COMBUSTIÓN DE UNA CALDERA

PIROTUBULAR VERTICAL A CARBÓN”

AUTOR: Br. NELSON WILMER SARI BUSTOS

T

(° K)

K

(Kcal/h m °

C)

293 11,60

373 11,90

503 12,63

533 12,88

773 16,10

Pag. 4-2 Babeock & Wilcox Steam

46

Diseño de Una Caldera Pirotubular de Vapor Saturado Humedo

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Transcript of Diseño de Una Caldera Pirotubular de Vapor Saturado Humedo