Pi Tigb Ex02

LABORATORIO DE PROCESOS 2015-1

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL

UTFSM, CASA CENTRAL, VALPARAISO

EXPERIENCIA T1G02B

Dimensionar una caldera pirotubular para un servicio de 2.000[kg/h] a 5[bar]

utilizando disel. Seleccionar bomba de inyeccin de agua y quemador. Calcular

la solucin terica y procedimiento experimental.

PROFESOR Juan Yianatos

AYUDANTE Camila Hauck

FECHA 25/Marzo/2015

EQUIPO DE TRABAJO CALDERA

GRUPO GRUPO 02 B

ALUMNO 1 Anglica Durn

ALUMNO 2 Jimena Garca

ALUMNO 3 Vctor Narbona

PREINFORME X

INFORME

NOTA FINAL

REVISION

T1G02B-Durn, Garca Narbona

Laboratorio de procesos 2015-1

2

Resumen

En el presente informe se detallan los criterios y fenomenologa en que se basa el dimensionamiento

de una caldera pirotubular de 3 pasos para un flujo continuo de vapor de 2000[kg/h] y una presin de

operacin de 5[bar]. Despus de realizar los balances de transferencia de masa y calor para el sistema y

asumir condiciones de proceso se obtuvo las dimensiones de la caldera: cuyos valores resultan ser 3,3

[m] y 1,18 [m] de largo y Dimetro de coraza respectivamente. La caldera diseada es de tipo escocesa

de tres pasos: hogar (donde ocurre la combustin), paso 2 y paso 3. El hogar tiene un largo de 2,03

[m], el primer paso y segundo paso 2,36[m]. El segundo paso consta de 15 tubos y la del tercer paso de

10 tubos. Con esta configuracin el rea total disponible en la caldera para transferir calor es de 928

[m2]. Adems del dimensionamiento de la caldera se detalla el procedimiento experimental que se

llevar a cabo en la sala de caldera del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad. En

este procedimiento se detalla la puesta en marcha de la caldera adems de las mediciones que deben

realizarse con el fin de obtener una comparacin con los parmetros asumidos en el diseo de la

caldera, y posteriormente realizar una correccin de stos para que el diseo sea ms realista. Las

principales mediciones a realizar son: flujo de combustible, flujo alimentacin de agua, flujo de vapor,

flujo de gases de combustin, temperatura de gases a la entrada de la caldera, temperatura de gases en

chimenea, temperatura manto y caras laterales de la caldera, temperatura del vapor y composicin de

los gases.

Objetivos

Objetivo General

Dimensionar tericamente una caldera pirotubular , para un flujo de servicio de vapor

continuo de 2000 [kg/h] a una presin de operacin de 5 [bar].

Objetivos especficos

Comprender el funcionamiento de una caldera pirotubular para plantear la fenomenologa

asociada a los procesos de transferencia de calor y masa.

Seleccionar una bomba de inyeccin de agua y quemador en base al dimensionamiento terico

obtenido.

Elaborar una metodologa de manejo experimental de la caldera del LOU, que permita obtener

a escala piloto los parmetros operacionales, para as compararlos con los que fueron asumidos

tericamente.



3

Desarrollo del problema propuesto Clculo terico de la solucin al problema

Ilustracin 1: Diagrama sistema de caldera a dimensionar

Los resultados obtenidos del dimensionamiento de la caldera se detallan en el anexo 1. Para resolver el

problema, se realiza un anlisis de transferencia de masa y calor en los distintos elementos de la

caldera. Para ello, se realizan las siguientes suposiciones:

La caldera se encuentra en estado estacionario y tiene una eficiencia de un 80%

Las prdidas de calor totales consideran un 20% del total del calor transferido y se asocian a las

prdidas por conveccin-radiacin y gases de chimenea.

El rendimiento de la combustin es del 100%, con un exceso de aire de un 15%.

Para efectos de comprobacin de los supuestos tericos se disear una caldera escocesa de 3 pasos, con un hogar (paso 1) y dos pasos de tubos. (Ilustracin 1)

El disel, aire y agua ingresan al quemador a la misma temperatura (Temperatura ambiente)

La cmara de la caldera se encuentra en su totalidad con agua saturada, y su volumen es muy grande, por lo que el flujo de alimentacin de agua no perturba el equilibrio del sistema.

Para efectos de simplificacin de clculo, se considera una temperatura promedio en cada paso de sistema hogar-tubos, para evaluar las propiedades termodinmicas aplicadas en cada zona.

En primer lugar se procede a calcular el calor total absorbido por el agua ( ), sabiendo que el flujo

de vapor de servicio producido es constante e igual al flujo de agua que ingresa a la caldera, debido al

supuesto de que se est trabajando en estado estacionario:

[

]

Balance global de energa en el agua

( ) (1)

Asumida la eficiencia de la caldera (80%), se obtiene el Flujo de entrada de Diesel, mediante:



4

(2)

Con la estequiometra de la reaccin de combustin (Anexo 2) y asumiendo un porcentaje de exceso

de un 15% y mediante el balance de masa en el quemador, se obtienen los flujos de aire alimentado y

el flujo total de los gases a la salida de este (F1). Con estos flujos se obtiene la temperatura con la que

entran los gases de combustin al hogar (T1).

Balance de masa y energa en el quemador:

(3)

(4)

Con el valor de T1, se obtiene la temperatura de salida de los gases, mediante:

Balance paso 1 - paso 2 - paso 3

(5)

Las superficies de transferencia de calor se subdividen en 3 reas: Paso 1, Paso 2 y paso 3, donde cada

una de ellas aporta con un calor transferido de QT1, QT2 y QT3, y se relacionan con el Qt:

(6)

(7)

El calor transferido total, corresponde a la suma de cada una de las prdidas totales. Con el calor

transferido total y con una suposicin inicial de distribucin porcentual de calor de transferencia por

cada paso, se obtienen los calores transferidos individuales (QT1, QT2 y QT3), los cuales tienen el

siguiente balance de energa:

Balance de energa en el paso 1 (Hogar)

( ) (8)

Balance de energa en el paso 2 (Tuberas)

( ) (9)

Balance de energa en el paso 3 (Tuberas)

( ) (10)

Con el valor de QT1, se obtiene el valor de temperatura de salida del hogar y con el valor de QT3 se

obtiene el valor de temperatura de entrada al paso 3. Al reemplazar los valores de temperatura en la

ecuacin 5, se obtiene un valor de QT2, el cual debe coincidir con el propuesto en la suposicin. Se

itera la distribucin del porcentaje hasta obtener los dos valores de QT2 iguales.



5

Realizada la iteracin, es decir, obtenidos los valores de QT1, QT2, QT3 y los perfiles de temperatura,

se calcula el rea de cada seccin segn las ecuaciones (8), (9), (10). Adems, el coeficiente de

transferencia de calor referido a la superficie externa de un tubo:

( )

Para obtener los valores de ho (coeficiente convectivo de ebullicin) y hi (coeficiente interno de una

caldera pirotubular), se utilizaron las correlaciones detalladas en los anexos 4 y 5. En donde se asume

un dimetro interno (2 a 3 [in] segn criterio) de los tubos para cada paso. Con los dimetros asumidos

y los valores de las propiedades de los gases se obtienen los coeficientes de transferencia de calor para

cada paso. Y de la ecuacin de transferencia de calor se obtienen las reas de transferencia de cada

paso:

Luego tenemos la frmula para el rea de transferencia para cada paso:

Con la que podemos calcular el largo de cada paso, esto se logra estimando el nmero de tubos con la

relacin: Se cuenta con el flujo total de gases de combustin (FT) y se asume en base a criterio el flujo de gases

que transita por cada tubo (Ftubo =45-90[Kg/h]). Con estas relaciones se calcula el largo para los pasos,

que no deben tener una diferencia de ms del 6%. Con el largo de los pasos se estima el largo de la

coraza que debe ser mayor en alrededor del 40%. Luego con el largo de la coraza obtengo su dimetro

mediante la relacin: . Y en base a todas las suposiciones realizadas se puede

dimensionar la caldera.

Quemador

Para seleccionar el tipo de quemador se utiliza uno que cumpla con las especificaciones de capacidad

del quemador (1872 [kW]) y flujo de combustible (158 [kg/h]). Se escoge un quemador Baltur TB

210 P 50 Hz.

Bomba

La bomba centrfuga seleccionada corresponde a: Bomba centrfuga Grundfos CM -1-3G en base a los

criterios:

Cantidad de bombas: Se utiliza una sola bomba que opera a la capacidad del flujo de agua requerido:

2000 [kg/h]. (Otra bomba se utilizar como Spare).

Altura dinmica total de la bomba: Para que la presin entregada por la bomba sea superior a la

existente en la caldera, se utiliza la siguiente relacin: H a vencer= 50 [m H2O] (lo entregan los 5 bar



6

de presin del vapor) + 1 [m H2O].

NPSH Disponible: Se asume que se provee un estanque con carga de agua necesaria para evitar la

cavitacin.

Las especificaciones de ambos equipos se detallan en los anexos 6 y 7.

Procedimiento experimental

En la ilustracin 2 se detalla el diagrama de proceso de la caldera del LOU en la cual se

realizarn las mediciones necesarias para realizar el informe.

Gases Combustin

Agua Tratada

Estanque Agua

Estanque Diesel

Aire

Vapor

Purga

LIC 1 PAH

1

LI1

LI2

PI1

Quemador

Caldera Pirotubular

AI1

V. Seguridad

Ilustracin 2: Diagrama de proceso caldera pirotubular LOU

1. Antes de ingresar a la sala de caldera, verificar la utilizacin de los EPP, sean estos zapatos de seguridad, guantes de cueros, casco y antiparras.

2. Con la ayuda del operador de la caldera se realiza una prueba para verificar que la dureza del agua sea la adecuada para ingresar a la caldera. Se utiliza un kit de dureza para medir el

contenido de precipitado de sales, los cuales afectan a la caldera en trminos operativos y

estructurales.

3. Se verifica que las vlvulas del sistema estn en la posicin adecuada. En especfico, la vlvula de purga, la vlvula de salida de vapor, la vlvula de entrada de combustible y la vlvula de la

bomba spare deben encontrarse cerradas, mientras que la vlvula de la bomba de alimentacin

de agua debe encontrarse abierta.

4. Se verifica que haya combustible y agua disponible en los estanques en donde se almacenan, realizando la medicin de los niveles respectivos.

5. Verificar el nivel de agua en la caldera, que en caso de ser excesivo, se abre la vlvula de purga, la cual adems de bajar el nivel de la caldera, elimina las sales formadas. Si el nivel de

agua es muy bajo, se activa la bomba de alimentacin de agua para realizar un llenado hasta un

nivel dentro del rango aceptado, especificado en el medidor de nivel de la caldera.

6. Se enciende el quemador, el cual alimenta slo aire en una primera instancia con el fin de eliminar gases remanentes de operaciones anteriores (pre barrido).

7. Se abre vlvula de alimentacin de disel, el cual entra por los quemadores, y se pulveriza para



7

mezclarse con el aire de entrada al quemador y as generar la combustin.

8. Se espera que la caldera alcance la presin mxima de operacin (7[bar]). Mientras alcanza los 7[bar] se realizan mediciones en el nivel de estanque de agua, combustibles, temperaturas de la

caldera, etc. Esto con el fin de conocer cmo se comportan los parmetros en estado transiente.

9. Una vez alcanzada esta presin se abre la vlvula de salida del vapor. Luego con la vlvula de vapor hacia el proceso de condensado se comienza a bajar la presin del sistema hasta llegar a

5[bar].

10. Al abrir la vlvula de vapor se registra el cambio de nivel que hay en el estanque de agua y el tiempo en que esto ocurre con el fin de medir del flujo de agua que ingresa a la caldera.

11. Una vez que el equipo se encuentre operando a 5[bar], registrar variaciones de nivel y tiempo para cada momento en que cambie el nivel de agua del estanque de alimentacin y medir cada

10 minutos el cambio de nivel y tiempo en el estanque de combustible.

12. Una vez que el equipo se encuentre operando a 5[bar], se realizan mediciones de temperatura en la caldera con un pirmetro ptico. Se mide la temperatura a la entrada del hogar y la

temperatura en la chimenea de gases de combustin. Tambin se realizan mediciones a la

superficie del manto y las caras laterales de la caldera, para posteriormente calcular las prdidas

por conveccin y radiacin.

13. Con presin de operacin de 5[bar] se mide el flujo de gases de combustin que sale por la chimenea con un tubo pitot.

14. Finalmente con un balde de 25[L] se mide el flujo de condensado, y el tiempo que demora en llenar cierto volumen, para obtener el flujo de vapor que produce la caldera. Adems se mide la

temperatura de este para obtener la presin de vapor.

Material a utilizar

Tabla 1: Materiales, insumos, servicios e instrumentacin a utilizar en la experiencia

Insumos Servicios Instrumentacin

Caldera pirotubular escocesa de 3 pasos.

2 Bombas de inyeccin de agua a la caldera.

Quemador TBML MC 50 Baltur.

Ablandador de agua.

3 Huinchas de medir.

3 cronmetros.

Balde 25[L].

Balanza

Kit de dureza..

Plumn.

Hoja de registro de toma de datos.

Cascos, lentes y zapatos de seguridad.

Capa y guantes de cuero.

Indicadores de nivel.

Tubo pitot.

Agua.

Diesel.

Electricidad

Termmetro.

Picnmetro.

Manmetros de bourdon.

Presostato.

Analizador de gases TESTO

T-350.

Vlvulas.

Termocplas.



8

Anexos 1. Resultados dimensionamiento caldera

Tabla 2: Dimensiones carcasa caldera

Dimensiones Valor

Dimetro [m] 3,30

Largo [m] 1,18

Tabla 3: Dimensiones al interior de la caldera

Paso

Caldera

N tubos

Largo

tubos

Dimetro

ext. rea Transferencia U

[-] [m] [m] [m2] [kcal/m2*h*C]

1 (hogar) 1 2,03 0,356 178,25 1,76

2 (tubos) 15 2,36 0,051 295 1,27

3 (tubos) 10 2,36 0,051 455 3,4

Tabla 4: Parmetros de los flujos caldera

Parmetros Valor

F. agua[kg/h] 2000

F.vapor [kg/h] 2000

F. combustible[kg/h] 2539

F. aire [kg/h] 697

Tg in [C] 2121

Tg out [C] 410

T sat. Agua [C] 25

T in agua [C] 151,8



9

Grfico 1: Perfil de temperatura de gases de combustin a la salida de cada paso

2. Nomenclatura de balances

: Calor total transferido [Kcal/h]

: Calor transferido en el paso 1(hogar), banco de tubos del paso 2 y 3

respectivamente. [Kcal/h]

Capacidad calorfica promedio de los gases de combustin del paso 1, paso

2 y paso 3.

: Flujo

: Calor absorbido por la masa total de agua dentro de la caldera [Kcal/h]

: Calor total de prdidas en la caldera [Kcal/h]

: Flujo de ingreso de agua [Kg/h]

Calor especfico del agua lquida a la temperatura de entrada a la caldera [Kcal/ C]

: Calor de evaporizacin de agua a presin de 5 [bar] [Kcal/kg]

: Temperatura de saturacin del agua a 5 [bar]

: Flujo de entrada de Diesel en el quemador [kg/h]

: Poder Calorfico Inferior del Diesel [Kcal/kg]

3. Reaccin de combustin del Diesel

4. Estimacin de hi

0500

1000150020002500

0 1 2 3Tem

pe

ratu

ra [

C]

Pasos

Perfil de Temperatura

Temperatura humos Temperatura Ebullicin



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5. Correlacin de Cornwell- Houston

[

]

6. Clculo del LMTD

7. Especificaciones Quemador

Ilustracin 3: Quemador seleccionado para la caldera dimensionada

Tabla 5: Especificaciones quemador de la caldera dimensionada



11

8. Especificaciones Bomba

Ilustracin 4: Bomba seleccionada para caldera dimensionada

Grfico 2: Especificaciones bomba centrfuga

9. Carta Gantt Tabla 6: Carta Gantt procedimiento experimental

Actividad a realizar 08:00-09:00 09:00-10:00 10:00-11:00 11:00-12:00 12:00-13:00 13:00-14:00 14:00-15:00 15:00-16:00 16:00-17:00

Retirar material requerido en el paol Almuerzo

Contar con todos los EPP. Almuerzo

Anlisis de dureza del agua Almuerzo

Verificacin vlvulas del sistema Almuerzo

Verificacin de niveles de combustible y agua Almuerzo

Realizacin de purga a la caldera (si hay exc. De nivel) Almuerzo

Encender paneles elctricos quemador Almuerzo

Prebarrido tubos gases Almuerzo

Dar paso al combustible Almuerzo

Esperar que el sistema alcance 7[bar] Almuerzo

Bajar la presin del sistema a 5[bar] Almuerzo

Medir cambio de nivel en estanques agua y diesel Almuerzo

Medir Temperaturas definidas Almuerzo

Medir flujo condensado Almuerzo

Apagado de caldera Almuerzo

Horario



12

10. Seguridad

Al operar una caldera existen diversos riesgos asociados, esto principalmente porque se trabaja con

altas temperaturas. Algunos de los riesgos principales en una caldera son:

1. Peligro de explosin: Ocurrido si es que la caldera supera la presin o temperatura mxima de

operacin. O bien mala manipulacin de las lneas de combustible.

2. Quemaduras: Provocadas por tener contacto con superficies calientes, que no han sido aisladas

apropiadamente. Por ejemplo, chimenea de gases de combustin.

3. Cadas de distinto nivel: Al realizar labores de operacin o mantencin en las partes altas de

una caldera.

4. Atrapamientos: Condiciones y acciones de riesgo cercano a equipos con movimiento.

5. Golpes: atribuido a condiciones y acciones de riesgo en la operacin.

Teniendo en cuenta los principales riesgos que existen al operar una caldera, los operadores de las

calderas deben ser personas capacitadas que tengan conocimiento de cmo evitar los riesgos descritos

anteriormente, y como solucionar los problemas de operacin antes que stos tengan consecuencias

ms graves. Es por esta razn que al momento de realizar las mediciones de la experiencia seremos

supervisados en todo momento por el operador de la caldera.

Para poder realizar la experiencia se debe hacer el ingreso a la sala de caldera con el equipo de

proteccin personal, que consta de: Capa, lentes de seguridad, zapatos de seguridad y guantes que

resisten altas temperatura.

Como grupo debemos evitar tener conductas de riesgo dentro de la sala de caldera, y si se identifican

condiciones de riesgo, stas deben ser notificadas al operador de manera inmediata, para as evitar

posibles accidentes.



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Referencias

V. Ganapathy, 2003, Industrial boilers and heat recovery steam generators, design,

applications and calculations.

S. Kakac, 2008, Boilers, evaporators and condensers.

Mutual chilena de seguridad, Seguridad en operaciones con calderas.

R.Muruganantham, G. Vignesh, R. Vignesh, P. Madhan, R. Kathiravan, 2013, Pool boiling

characteristics of wter over a horizontal stainless Steel tuve heater.

Programa Refprop NIST.

http://www.facebook.com/l.php?u=http%3A%2F%2Fnet.grundfos.com%2FAppl%2FWebC

APS%2FGrundfosliterature-3081233.pdf&h=hAQGaUnM3

http://www.baltur.it/es/es/Catalogo/Sistema/56450010/TBML_50_MC_50Hz

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