DISEÑO DE UNA
CALDERA
PIROTUBULAR DE
VAPOR SATURADO
HUMEDO
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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
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SISTEMAS ENERGETICOS
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
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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.
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SISTEMAS ENERGETICOS
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)
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SISTEMAS ENERGETICOS
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.
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SISTEMAS ENERGETICOS
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.
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SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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.
11
SISTEMAS ENERGETICOS
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.
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SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
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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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
* 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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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¿¿∫ .)¿:
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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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
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
SISTEMAS ENERGETICOS
ANEXOS
TABLA 1
41
SISTEMAS ENERGETICOS
TABLA 2
TABLA 3
Libro: Intercambiadores de Calor: Autor Luis Moncada Albitres
42
SISTEMAS ENERGETICOS
TABLAS TERMODINAMICAS
43
SISTEMAS ENERGETICOS
44
SISTEMAS ENERGETICOS
45
SISTEMAS ENERGETICOS
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