sistemas energeticos borrador e g 2014-0 nivelac
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SISTEMAS ENERGETICOS (BORRADOR)
PREPARADO POR ING. ELI GUAYAN HUACCHA Pgina 1
UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE ING MECANICA
CURSO: SISTEMAS ENERGETICOS
BORRADOR DE APUNTES DEL CURSO 1RA PARTE
PREPARADO POR ING ELI GUAYAN H
2014
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CENTRAL TERMICA A VAPOR
Introduccin: es un sistema energtico cuyo fin fundamental es la generacin de energa
elctrica para lo cual utiliza un fluido portador que es el agua y su vapor que sufre
transformaciones a lo largo de un ciclo y que cuenta con cuatro elementos bsicos: caldera,
turbina de vapor, condensador y las bombas.
a) CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO
Esquema bsico de planta
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Procesos:
1-2: proceso de expansin del vapor en la 1era etapa de la turbina tericamente con
carcter isoentropico.
2-3: proceso de adicin de calor al vapor en la caldera (tericamente isobrico)
3-4:proceso de expansin del vapor en la 2da etapa de la turbina hasta la presin final del
trabajo terico del condensador (tericamente isoentropico)
4-5: proceso de condensacin (isobrico)
5-6:trabajo de bomba, tericamente isoentropico
Ef ic iencia trmica del ciclo: t
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NOTA: el trabajo de las bombas en una central trmica representa un 8% del trabajo total
de la turbina NOTA:
Se utiliza el ciclo rankine con recalentamiento intermedio a efecto de obtener un mayor
trabajo de ejecucin en las dos etapas de la turbina y tambin para controlar de manera
eficaz la humedad en los ltimos escalones de la turbina de vapor a un valor no > del 10 %
de humedad. Una concentracin > a 10% de humedad en los ltimos escalones de la
Temperatura trae como consecuencia erosion, desgaste de las paletas o alabes de la
turbina que origina un desbalance en el eje de la turbina.
b) Ciclo Rankine Con Regeneracin
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NOTA: En este caso el sistema con regeneracin consiste en calentar o precalentar el
agua de alimentacin a la caldera mediante extracciones sucesivas de vapor utilizando el
calor latente de dicho vapor (entalpia
). Esto permite utilizar una menor cantidad de
combustible en la caldera y un ahorro econmico.
Eficiencia trmica del ciclo: t
t =
t =
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CALENTADORES DE AGUA DE ALIMENTACION
I. ABIERTOS O DE MEZCLA O DE CONTACTO DIRECTO
Tenemos:
Pa= Pb = Pc
II.
Tenemos:
Pc = Pd;
Pa=Pb ;
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Calentador (II):
De la 1era Ley de la termodinmica
Despejando / ( )
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EFICIENCIA TERMICA DE LA CALDERA ()cald.
P.C = poder calorfico inferior del combustible ------ El poder calorfico del petrleo es 38000
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EFICIENCIA MECANICA DE LA TURBINA ()
Perdidas mecnicas [rozamiento, friccin]
EFICIENCIA DE EXPANSION ADIABATICA DE LA TURBINA ()
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1-2 = expansin adiabtica Irreversible (S2>S1)
1-2i = expansin adiabtica reversible (isoentropico) (S1=S2i)
Para turbina
eal
Para bomba
PARA CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO
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DIAGRAMA DE MOLLIER
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LA COMBUSTION
Es un proceso qumico de oxidacin brusca o violenta de los elementos de una sustancia de
caractersticas particulares denominada combustible, mediante el cual la energa qumica del
combustible se transforma en energa interna de los productos del proceso
AIRE ESTEQUIOMETRICO (Aire Terico)
Es la cantidad de aire que proporciona el oxgeno estrictamente necesario para la oxidacin
completa de los elementos oxidables del combustible.
RELACION AIRE - COMBUSTIBLE ( )Es el cociente entre la masa del aire y la masa de combustible utilizado en la combustin
RELACION COMBUSTIBLEAIRE
Combustin Ideal Con Aire
En el cual a manera de ejemplo para la combustin de un hidrocarburo de la forma , alreaccionar con el aire tenemos la siguiente ecuacin
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Para la combustin del propano con aire estequiometrico tenemos Por balance:
Carbono: 3 = d
Hidrogeno: 8= 2e
Oxigeno : 2b= 2d + e ; b=5
Nitrgeno : f=18.8
=
Combustin Ideal Con Exceso De Aire
En este caso para la combustin completa de combustible se necesita exceso de aire para tener
que todas las molculas del combustible reaccionan con las molculas del oxgeno tericamente
Para lo cual definimos algunos conceptos previos
AIRE REAL ()Es la cantidad de aire que ingresa en condiciones prcticas de operacin a un proceso de
combustin
EXCESO DE AIRE ()El cual est definido por la variacin
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PORCENTAJE DE AIRE TEORICO
Mezcla rica
Podemos decir que es la que contiene una cantidad de aire menor a la estequiometrica (aire en
defecto)
Mezcla pobre
Es aquella que contiene una cantidad de aire mayor que la estequiometrica o que es pobre en
combustible
COMBUSTION REAL CON EXCESO DE AIRE
En los procesos reales de combustin aun con exceso de aire la combustin no es
necesariamente completa ya que en los productos va aparecer CO monxido de carbono.
Es importante tratar de controlar el fenmeno de combustin para que la generacin de CO sea
mnima, xq es un gran contaminante y tambin porque si la combustin genera en lugar deCO se obtiene aproximadamente 3.4 veces mayor cantidad de energa por molcula.Una ecuacin caracterstica para un hidrocarburo de la forma es:
Ejm:
Un combustible cuyo anlisis gravimtrico es 82% de carbono, 14% de H 2y 4% de O2, se quema
con 150% de aceite teorico se tiene que el 80% del carbono reacciona formando CO2 y el 20%
reacciona formando CO Determine la relacin utilizada.En 100Kg de combustible tenemos 82 Kg de C , 14 Kg de H2y 4 Kg de O2 el nmero de moles de
cada uno es:
C = 82/12 = 6.83 Kmol
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H2 = 14/2 = 7.00 Kmol
O2= 4/32 = 0.13 Kmol
Paso (I): reaccin con aire estequiometrico (ideal)
6.83 C + 7 H2+0.13 O2 + ------> Por balance queda
6.83 C + 7 H2+0.13 O2 + ------> Paso (II):
Para la combustin real, el carbono se distribuye de la siguiente forma:
6.83x0.8 = 5.46 moles para el 6.83x0.2 = 1.37 CO
La ecuacin de combustin real con 150% de a t es:
[6.83C+7 H2+0.13 O2 ]+ ----> La relacin airecombustible
( )real = =21( )real = 21Kg aire/Kg combustible
ENTALPIA EN LA COMBUSTION
Para los elementos que sufren una reaccin qumica durante un proceso usamos la suposicin de
que la entalpia de todos los elementos es cero en el estado arbitrario de referencia de 25C y 1
bar de presin
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ENTALPIA DE FORMACION
La entalpia de formacin de un elemento o compuesto es con referencia a 25C y 1 bar de presin
y por convencin adoptamos que la entalpia de formacin de todos los elementos es cero. Y que
la entalpia de un compuesto en esas condiciones no es cero.
Ejm:
En condiciones de laboratorio a 25C y 1 bar de presin reacciona el oxgeno y el carbono y se
mantiene cte la presin y T, determine la entalpia de formacin del si se sabe que el calortransferido en la reaccin es -393522 KJ/Kmol (calor hacia el exterior)
Q= + ]-393522 =
ENTALPIA EN CUALQUIER ESTADO (h)
En la mayora de los casos, ni los reactivos ni los productos se encuentran en las condiciones de
referencia de 25C y 1 bar, por tal razn se debe considerar el cambio de propiedad entre el
estado de referencia y el estado real.
La entalpia en cualquier estado se calcula por:
h= hf + h
TEMPERATURA DE FLAMA O LLAMA ADIABATICA
Para un proceso de combustin que tiene lugar adiabticamente en el que no existe W,transmisin de calor o cambio alguno en las Ec y Ep, entonces toda la energa trmica elevara la
T de los productos y la T alcanzada ser la mxima y que se le conoce como T de flama
adiabtica.
Ejm:
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Se quema pentano gaseoso con 500 % de atdetermine la T de la llama adiabtica si los reactivos
se encuentran a 25 C y 1bar
Solucin
Haciendo la ec. Qumica tenemos
Estequiometrico:
Calculo de la entalpia de los reactivos
C5 H12+ 8x5[ O2+ 8x5x3.76[ N2 O2=0 y N2=0 por convenio
Hr = C5 H12 = -146440 KJ/Kmol de tabla!Para el caso de T adiabtica Q = 0, entonces de Q = Hp- Hr y suponemos que los productos estn
a una T = T
CO2 + 6[ H2O+ 150.4 [ N2 + 32 [ O2Por convenio: O2=0 y N2=0De tablas: CO2 +6 H2O+ N2+32 O2Se utiliza un mtodo iterativo el cual consiste en suponer una T y comprobar el resultado del lado
izquierdo hasta que coincida con el Hr calculado anteriormente.
Asumo: T = 500KDe tablas: CO2 +6 H2O+N2+32O2
Sale:
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T(K) HR(KJ/Kmol)
500 -225150.52
600 -1688332.6
700 -1049297.2
800 -426720.6
900 209487.4
Interpolando: 800 -426720,6T -146440900 209487,4
Sale T =844,1K
CALDERA DE VAPOR:
Es un equipo trmico y su tarea principal es la produccin de vapor, vapor sobrecalentado,
saturado y agua en ebullicin para lo cual utiliza un combustible que puede ser slido, liquido o
gaseoso.
El vapor es utilizado para la generacin de energa elctrica y en las plantas industriales el vapor
se utiliza para la produccin.
Tipos de Caldera:
De acuerdo a distintos criterios.
Por ubicacin de fluidos:
1) CALDERA ACUOTUBULAR.
Son las que se utilizangeneralmente en las centrales
termoelctricas y soportan
elevadas presiones de trabajo.
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2) CALDERA PIROTUBULAR.
Se utilizan en empresas
industriales donde el vapor
producido lo utiliza para
procesos.
Esquema:
Agrupamiento de los componentes de la caldera acuotubular
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Esquema de una instalacin de caldera acuotubular de vapor de agua:
Leyenda:
1) Caldera de vapor de agua.2) Ventilador de tiro forzado.
3) Bomba de agua de alimentacin
4) Ventilador de tiro inducido
5) Filtro elctrico
6) Domo superior
7) Quemador de combustible
8) Sobrecalentador de vapor
9) Economizador10) Precalentador de aire
11) Domo inferior
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ESQUEMA TECNOLOGICO DE UNA INSTALACION DE CALDERA
Leyenda
a) Canal de agua 8. recalentador de vapor
b) Vapor recalentado 9. Economizador de aguac) Canal de combustin 10. calentador de aire
d) Camino de circulacin de aire 11. Depsito de agua de reserva
e) Canal de los productos de combustin 12. Bomba de alimentacin
f) Camino de cenizas y escoria 13. Ventilador
1. Tolva de combustin 14. Contorno del edificio de la estacin
2. Molino de carbn 15. Deposito separador calderas
3. Ventilador de molino 16. Aspirado de humor
4. Quemador 17. Chimenea5. Contorno del hogar y de los productos de gas 18. Estacin de bomba(purga de ceniza)
del grupo de caldera
6. Pantallas del hogar
7. Colector
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DIAGRAMA DE VAPOR EN PLANTA DE FUERZA TRAPICHE Y CALDERAS
Leyenda
1. Turbogenerador N3
2. Turbogenerador N2
3. Vlvula Reductora
4. Caldera N03
5. Caldera N02
6. Vlvula reductora
7. Caldera N04
8. Bomba de alimentacin N02
9. Bomba de alimentacin N03
10. Ventilador tipo inducido
11. Ventilador tipo forzado
12. Desaereador
13. Turbina trapiche N01
14. Turbina Trapiche N02
15. Turbina trapiche N03
16. desobrecalentador
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PRODUCCIN HORARIA DE VAPOR.
Se refiere a la cantidad de Kg. De vapor que produce una caldera por hora y que depende de la
presin y la temperatura de sobrecalentamiento as como tambin de la temperatura con la que
ingresa el agua a la caldera y por eso al expresar la produccin horaria de vapor se deben de
mencionar estos datos.
Ejm: una caldera produce 2000kg de vapor saturado por hora a 20bar absoluto de presin y
alimentado con agua a 30
Produccin especifica de vapor o vaporizacin especifica; se refieres a los kg de vapor que
produce la caldera por hora y por m2de superficie de calefaccin.
En el ejemplo anterior si la caldera tiene 100m2 de superficie de calefaccin entonces su
produccin especifica de vapor seca 2000/100= 20kg de vapor por hora y por m 2
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PARMETROS TERMODINMICOS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN
El volumen total de oxgeno necesario para la combustin de 1 Kg de combustible lquido,
slido; o de 1m3de combustible gaseoso, restando la cantidad de oxgeno contenido en el
combustible:
[m3/KgC ; m3/ m3c ]El Volumen de aire terico para la combustin:Si consideramos que el aire contiene 21% de O2en volumen, tenemos:
El volumen de aire terico para la combustin completa de 1Kg de combustible.
Para combustible slido o lquido es:
[m3/KgC] Para combustible gaseoso es:(Combustin completa de 1 m3)
[m3/ m3C]Coeficiente de exceso aire ()En un horno la cantidad de aire real excede la cantidad de aire tericamente calculada, se sabe que:
Donde: : Volumen de aire realEl valor de depende del tipo de combustible y de la construccin del horno.= 1,01 Combustible gaseoso
> 1,5 Combustible lquido
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LOS PRODUCTOS RESULTANTES DE LA COMBUSTIN COMPLETA ()Estos contienen:
Productos de la combustin de carbono y azufre (,) , gases triatmicos. El nitrgeno del combustible, el nitrgeno contenido en la cantidad de aire necesario, ytambin el nitrgeno en el exceso de aire (); el nitrgeno en forma de gas entra en lacomposicin de gases diatmicos.
El vapor de agua, obtenido de la oxidacin del hidrgeno del combustible y de laevaporacin de la humedad del combustible, as como el vapor usado para la pulverizacindel petrleo para quemarlo.
Exceso de oxgeno no usado en la combustin.
Volumen de los gases de combustin hacia la chimenea ,en combustin completa en lacantidad terica de aire.
En oxgeno no usado no est presente en el volumen terico de los productos de la combustin.
[m3/KgC] , [m3/ m3C]Los volmenes de los de los gases
y
no dependen del coeficiente de exceso de aire.
El volumen de gases triatmicos ( y ) se obtienen con: [m3/KgC] , [m3/ m3C]Ahora de la solucin de las relaciones estequiomtricas, tenemos:
[m3/KgC] , [m3/ m3C]
[m3/KgC] , [m3/ m3C]
Remplazando:
Para combustible Lquido:
[m3/KgC] ,
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Para combustible gaseoso:
, [m3/ m3C]Volumen terico de Nitrgeno: Este volumen incluye el volumen de nitrgeno que entra al horno, con el volumen terico del aire y
es , y el nitrgeno contenido en el combustible.Para Combustible lquido: [m3/ KgC]
Para Combustible gaseoso: [m3
/ m
3
C]
El vapor que se produce cuando se quema combustible debido a la combustin del hidrgeno, ala evaporacin de la humedad del combustible y a la humedad del aire que se utiliza en lacombustin, es:
Para combustible lquido:
[m3/KgC]
Para combustible gaseoso:
[ ] [m3/ m3C]Donde: w : Contenido de humedad: Contenido de humedad en el combustible gaseoso
Volumen Real de vapor de agua
para > 1
[m3/KgC] , [m3/ m3C]El Volumen de Gases de combustin hacia la chimenea
[m3/KgC] , [m3/ m3C]
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El volumen real de los gases diatmicos () en funcin de (Considerando un exceso de aire compuesto por gases biatmicos de O2y N2)
[m3/KgC] , [m3/ m3C]Fracciones Volumtricas de los gases triatmicos y de vapor.
Suma de fracciones (
):
ENTALPA DEL AIRE Y DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN
Entalpa del volumen de aire terico:
[KJ/Kgc] , [KJ/m3c] Entalpa del volumen terico de los productos de la combustin:
[KJ/Kgc] , [KJ/m
3c]
Entalpa para la cantidad de exceso de aire:
Entalpa de los productos de combustin con coeficiente de exceso de aire mayor a 1 ( )
[KJ/Kgc] , [KJ/m3c]
COMPOSICIN DE LOS COMBUSTIBLES
COMBUSTOLEO ( Por Kg de masa)
ELEMENTO S MBOLO %Carbono C 87,7
Hidrgeno H 12
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Nitrgeno N 0,4
Azufre S 3,8
Cenizas Z 0,1
GAS NATURAL (% en volumen)
ELEMENTO S MBOLO %Metano CH4 91,0992
Etano C2H6 8,0
Propano C3H8 0,9
cido Sulfrico H2S 0,0004
Dixido de carbono CO2 0,0004
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CLCULO TRMINO DEL HOGAR (HORNO) DE UNA
CALDERA ACUOTUBULAR
Nos sirve para encontrar la temperatura de los productos de la combustin en la salida del hogarde la caldera . Para lo cual tomamos una ecuacin terica experimental para determinar la
temperatura relativa a la salida del horno u hogar de la caldera.
Ecuacin de Gurvich.
Tambin se puede hallar de la siguiente manera:
Donde: : Temperatura Relativa adimensional de los productos de la combustin a la
salida del horno del hogar. : Temperatura de los gases de la combustin a la salida del hogar.[K]
: Temperatura adiabtica de los productos de la combustin de gases. [K]. : Nmero de BoltzmanM : Parmetro para la posicin relativa del ncleo de la flama.
: Emisividad del horno (Hogar de la caldera)
En la prctica:
Parmetro M : Para horno u hogares con combustin en el interior de la cmara, elparmetro M est determinado por la relacin entre posicin relativa de las Tmaxde la f lama
y la altura del horno.
En la prctica: M 0,5
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Donde: = Posicin relativa de la temperatura mximaPara un slo nivel de Quemador:
|Para varios niveles de Quemadores:
Donde:
: Cantidad de quemadores por nivel
: Altura para cada nivel. : Flujo msico El Nmero de Boltzman ( ): Caracteriza la transferencia de calor por radiacin.
Donde: : Gasto de combustible en la caldera, con 100% de carga. [Kg/s]: Calor especfico promedio de los gases de combustin para 1 Kgde combustible lquido.: Valor promedio del coeficiente de eficiencia trmica de las paredesdel horno.
A : rea de las paredes del horno. [m2] : Coeficiente de conservacin de calor en el horno.Coeficiente de conservacin del calor en el horno de Caldera()
HORNO
L quem
L Horno
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Este coeficiente interviene en las prdidas de calor por radiacin y por conservacin de la
caldera con el medio ambiente y esta relacionada con la eficiencia trmica de la caldera
para conservar la energa en los ductos de la caldera.
Donde: : Eficiencia trmica de la caldera (Datos del fabricante)
Ejm. 87% : Representa la prdida de calor por enfriamiento externo de lacaldera. (94 < < 98)
Poder calorfico Inferior (PCI) del combustible.
Para combustible lquido:
[KJ/Kg] Para Gas natural:
[KJ/m3]Los elementos estn dados en porcentajes de masas.
w = Humedad del combustible
Nota: Estas frmulas tienen un error mximo del 5% .
Calor que aporta el petrleo(
)
[KJ/Kg]Adems:
Ecuacin lineal para hallar (Cp) comb
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Donde:: Calor especfico del combustible : Temperatura de ingreso del combustibleAdems sabemos:
Calor suministrado al atomizador por el combustible. ( )
[KJ/Kg]
GASTO DE COMBUSTIBLE EN LA CALDERA( )De la eficiencia trmica
Ahora:
[KJ/Kg]Donde:
= Calor que ha podido absorber el vapor de agua
Adems:
: Es el calor total por unidad de tiempo que absorbe la caldera por los tubospara la generacin de vapor.
: Es el calor total por unidad de masa puesto a disposicin de la caldera osuministrado al hogar de la caldera por el combustible, aire y otros factores.[KJ/Kg]
q1
q1
q1
q2
-
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: Eficiencia trmica de la caldera cuyo valor se obtiene o bien pordato del fabricante o por los llamados mtodos directo oindirecto.
Calor Absorbido en la Caldera (Generador De Vapor) [KJ/Kg]
Donde:
: Flujo msico de vapor sobrecalentado. [KJ/s] : Flujo msico de purga (cantidad de lquido que se extrae) [KJ/s] : Entalpa especfica el vapor sobrecalentado. [KJ/Kg] : Entalpa especfica del agua de alimentacin a la entrada de la
caldera. [KJ/Kg]
: Entalpa especfica en el Domo (con la presin del Domo)
Calor Total Disponible (Suministrado al hogar de la caldera)
[KJ/Kg]Donde:
: Poder calorfico inferior del combustible. [KJ/Kg]
: Calor que aporta el petrleo porque es sobrecalentado. [KJ/Kg]
: Calor suministrado al atomizar el combustible. [KJ/Kg]Calor Especfico Promedio de los productos de la combustin en el horno
()
-
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[KJ/KgK]Es importante notar que las T son expresadas en grados Kelvin (K)
Para un Kg de combustible se hace el anlisis en el rango de temperatura donde la T de
salida o a la salida del horno ( ) hasta la temperatura adiabtica ()(Temperatura terica de combustin)
La temperatura de los gases de combustin a la salida del horno es una incgnita
( ) y que mediante un proceso iteractivo vamos a poder determinarlo, paralo cual suponemos una temperatura de entre 1000C a 1100C y luego se alcula susentalpas, en la segunda iteracin se cambia la la temperatura de los gases por la
temperatura de combustin calentada.
Donde:: Calor til en el horno u hogar de la caldera. [KJ/Kg]: Temperatura adiabtica se determina en base a los clculos de laspropiedades de los productos de la combustin y que en forma prctica latemperatura adiabtica es funcin de la
y es equivalente al valor de
la entalpa de los productos de la combustin en el medio de la flama.
[KJ/Kg]Calor til en el horno. ()
[KJ/Kg]
Donde:: Prdida de calor por combustin qumica incompleta (%). [KJ/Kg]
-
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: Prdida de calor por combustin mecnica incompleta (%). [KJ/Kg] : Es el calor que ingresa en el hogar de la caldera por el aire caliente.Es decir: : Coeficiente de exceso de aireCoeficiente promedio de Eficiencia Trmica de las paredes del horno. ()Es un coeficiente de disminucin de la transferencia de calor.
Donde:: Factor de forma de radiacin : Coeficiente de ensuciamiento para la captacin de calor por incrustaciones
en las paredes de agua.
Adems:
{ Si las prdidas del horno estn rodeadas por pantallas con diferentes factores de
forma o las pantallas cubren una parte de la superficie de las paredes del horno.
Ejemplo:
x (tablas)
Entonces:
s d
e
-
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Donde:
El calor absorbido por las superficies es una medida del plano continuo equivalente al calor
absorbido de los tubos no contemplados (sucios)
Superficie radiante El rea de las paredes del horno ( ) se encuentra a una distancia entre los ejes delos tubos externos de las pantallas (b) y su largo ( l ).
[m2]En no se incluyen las partes no protegidas por tubos ni las reas del quemador.
El factor:
LA EMISIVIDAD DEL HORNO ()
Donde: : Es la emisividad dela flama (llama) Donde:
-
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: Es el coeficiente de la parte del horno que ocupa la flama luminosa (losgases que iluminan) depende de la tensin trmica del volumen del horno [KW/m3]
a) Para hornos Abiertos: independiente de la carga de la caldera.
Si: KW/m3 m = 0,1 (Gas Natural)m = 0,55 (Combustible lquido)
b) Si: KW/m3 m = 0,6 (Gas Natural)m = 1 (Combustible lquido)
c) Si: KW/m3 m = ( Por interpolacin)
: Emisividad de los gases de la parte brillante de la flama : Emisividad de los gases que no iluminan
Donde:
P : Presin de los gases en el horno. [MPa]S : Es el espesor efectivo de volumen en los gases que iluminan.
[m]Coeficiente de Debilitamiento (Disminucin) de los Rayos en el horno( )
* +
-
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Luego:
Si luego de esto la temperatura varia mayor a 5C entonces se tiene nuevamente que iterar
hasta encontrar la temperatura correcta. Temp.
* +
T(C) 100
200
..
.
900
1000
1100
-
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CLCULO TRMINO DEL SOBRECALENTADOR
DE VAPOR
Esquema de una tubo del sobrecalentador (vista frontal)
Adems debemos de tener en cuenta que:
De la ecuacin de calor y energa:
: Flujo msico de gases de combustin [Kg/s]
: Flujo msico de gases de vapor [Kg/s] : Entalpa del gas de combustin a la entrada del sobrecalentador. [KJ/Kg] : Entalpa del gas de combustin a la salida del sobrecalentador. [KJ/Kg] : Entalpa del vapor sobrecalentado en la salida del sobrecalentador. [KJ/Kg] : Entalpa especfica del domo (Po y TD) [KJ/Kg]De ah se despeja la a la salida del sobrecalentador para conocer latemperatura .ECUACIN DE TRANSFERENCIA DE CALOR. : Coeficiente global o total de transferencia de calor en el sobrecalentador de vapor.
dC
TVS
salent
Tdomo
sGas
combustin
=
-
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: Superficie total para la transferencia de calor : Diferencia media logartmica de temperatura.
TEMPERATURA PROMEDIO DE LOS GASES DE COMBUSTIN
Consideramos:
= TEMPERATURA PROMEDIO Y PRESIN PROMEDIO DEL VAPOR SOBRECALENTADO.
REA DE LA SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HOGAR.
* + : Permetro de la Turbina (P = de)n : Nmero de elementos (n 56)
TVS
Tdomo
T1
T2
X
T
-
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REA LIBRE PARA EL PASO DE LOS GASES DE COMBUSTIN
GEOMETRA DEL SOBRECALENTADOR
Ejemplo:
4 pasos56 tubos/paso
de= 50,8 mm.
COEFICIENTE DE HILERAS EN EL BANCO DE TUBOS: (CZ)
Donde:: Nmero de hileras de tubos ( )
COEFICIENTE DE FORMA DE BANCO DE TUBOS (CS)
*
+
Paso Longitudinal S1: Paso nominal S2 :
S2=114 mm
S1=102 mm de
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VELOCIDAD PROMEDIO DE LOS GASES DE COMBUSTIN EN EL SOBRECALENTADOR
: Es el volumen de los productos de combustin para un Kg de combustible ycon un coeficiente de exceso de aire ( = 1,2) en condiciones de referencia0C y un bar de presin.
VELOCIDAD PROMEDIO DEL VAPOR EN EL SOBRECALENTADOR
De:
Velocidad =
Ejemplo: PROPIEDADES TERMOFSICAS DEL GAS DE COMBUSTIN
Tablas:
VALORES DE CORRECCIN: , ,
di
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Estos valores dependen del valor relativo del vapor de agua y de Ejemplo: COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
[W/m2.K]Donde:
: Coeficiente de transferencia de calor externo (desde los gases de combustin
hacia la superficie de las paredes de los tubos). (Con el mecanismo de convecciny radiacin).
: Coeficiente de transferencia de calor externo (desde la superficie de las paredesde los tubos hacia el vapor de agua). (Con el mecanismo principal de conveccin).
: Es un coeficiente de efectividad trmica del sobrecalentador. Ejemplo: 86%COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EXTERIOR
Donde:
: Coeficiente de uso de la superficie del sobrecalentador.Ejemplo: (Nuevo y moderno)
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIN
(Banco de tubos con arreglo rectangular)
-
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COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACCIN
Donde: : Es un factor de correccin que tiene en cuenta la influencia del volumen de
las fases calientes antes del sobrecalentador de vapor.
: Es un coeficiente que tiene en cuenta el tipo de combustible que se quema ypasa petrleo Bunker.
: Es la temperatura de los gases de combustin en el volumen en la salida delhorno u hogar de la caldera y que es anterior al sobrecalentador de vapor.(
)
: Es la distancia que se encuentra entre la pared del horno hasta la primerahilera del sobrecalentador.
: Es la distancia entre ejes de los tubos del sobrecalentador (entre la primerahilera y la ltima hilera)
: Es el coeficiente de transferencia de calor por radiacin.Por ejemplo:
Tenemos: (
)
: Es la emisividad de la superficie de los tubos del sobrecalentador en uso.
(contaminado o por suciedad).Para superficies generadoras de vapor seasume. : Es la emisividad promedio de los productos de la combustin contemperatura promedio en el sobrecalentador.
: Es la temperatura de la superficie de los tubos con uso con cierta suciedado contaminado del sobrecalentador.
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[K]
EMISIVIDAD: () Donde:
: Espesor efectivo del volumen de sus gases de combustin en elsobrecalentador.
P : Presin promedio de los gases de combustin a travs del sobrecalentador.
k : Coeficiente de disminucin por radiacin de gases triatmicos.
En la ecuacin de balance:
y:
Se compara y si no coinciden hay que iterar otra vex.
vap
or
Tcontam
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CALCULO TERMICO ECONOMIZADOR
Esquema
ECONOMIZADOR (equipo de recuperacin de energa)
Es un equipo trmico (intercambiador de calor) cuyo propsito es precalentar o calentar el agua de
ingreso a la caldera, utilizando los gases de combustin de la caldera y con ello tratar de reducir el
consumo de combustible y elevar la eficiencia global de la planta trmica.
TUBO ECONOMIZADOR
COEFCIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR (U)
-
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U = coeficiente global de transferencia de calor W/m2C (BTU/lb.pie2F)
A = rea total de transf. de calor (externa), m2
TL n= diferencia media logartmica de temperatura. (C)Si la resistencia del metal = 0 . el coef. Global:
Do= dimetro externo
Di = Dimetro interno
Para el economizador, en este caso: si resistencia trmica del metal = 0
hg= coeficiente conectivo de los gases de combustin
hagua= coeficiente convectivo del agua
Gas de combustin (por radiac y conveccin) Agua (por conveccin)
Para gas de combustin: . Humos economizadorDonde: Flujo msico de los gases de combustin (Kg/s, Lb/hr)Transferencia de calor total
Diferencia Media Logartmica De Temperatura
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La transf. De calor por conveccin y radiacin intertubular
Q radiac (economiz)= La transferencia de calor por radiacin desde la cavidad precedente hacia el
economizador.
La Temperatura Media De La Pelcula de Humos
Velocidad Msica De Humos (Gg)
Donde:
Ag = rea libre (mnima) para flujo de humos .El rea por donde pasan los humos entre los
espacios entre tubos (G=Kg/m2.s)
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Para gas de combustin (externo)
Numero De Reynolds (Re)
= factor de propiedades de gases de combustin (humos)KRE= f( T pelic gases, d tubo ext)
El Coeficiente de Transferencia de Calor de La Pelcula de Humos (Por Conveccin)
Donde:
Fpp= f (humedad de humos, Temp pelcula) o de configuracin, para flujo cruzado.Fa= f( disposicin de Tubos, Relacin espaciam/dimetro, Re) (Para N filas atravesadas)
Factor De Efectividad (Fs)
Donde:
A: superficie de caldeo del economizador (pie2
)Ap: rea transversal al 100 %
Coeficiente De Transferencia Para Radiacin En Humos
-
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Donde:= coeficiente de transf. de calor por radiacinK= factor de combustible
L= longitud media de radiacin
Perdida De Tiro
Con:
Donde: N = n de tubos
)
CAIDA DE PRESION EN EL AGUA
A) VELOCIDAD MASICA DE FLUJO (G agua)
B) NUMERO DE REYNOLDS (Re)
La cada de presin en el economizador: es la suma por rozamiento, por entrada y salida y de
codos.
= Del diagrama de Moody
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L = lond de un tubo
= perdidas en codos
CALENTADOR DE AIRE
Esquema:
Tubo De Calentador De Aire
Calentador de aire:
-
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Es un equipo trmico instalado en la caldera acuotubular con el propsito de precalentar al aire
fresco que ingresa a la caldera en escencia es un intercambiador de calor gas gas y tambin
un equipo recuperador de calor
GASES DE COMBUSTIN
Aire fresco Donde:
Diferencia media logaritmica de temperatura
La elevacin de temp. del aire fresco
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TEMPERATURA DE PELCULA
Humos:
Aire fresco:
Velocidad mnima de Humos (Gg)
El coeficiente de transf. Calor (de gases de combustible), hg
El coeficiente de transf. Calor por radiacin Velocidad msica de aire (Gaire)
Numero de Reynolds (Re) El coeficiente de transf. Calor (aire) para flujo cruzado El coeficiente global de transferencia calor global La temperatura de los gases de combustion (Tg2)
-
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Perdida de tiro (gases de combustion)
2Cada de presin en el aire fresco
2
.. Tablas
-
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SISTEMA DE ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE LQUIDO
ASPECTOS GENERALES:
Este sistema tiene por finalidad llevar el combustible lquido desde el pto de descarga que puede ser el
ferrocarril, barcos, buques hasta la sala de calderas o en otros casos hasta los correspondientes depsitos
de almacenamiento con la finalidad de mantener una determinada reserva de combustible depende de las
condiciones locales de emplazamiento del consumo de las calderas de los hornos diarios de servicio de la
cantidad a transportar.
El combustible lquido que se utiliza en las centrales termoelctricos es el petrleo industrial n6 llamado
bunker-c
ESQUEMA DE BLOQUES
En la estacin de recepcin se controla la cantidad de combustible que ingresa por los camiones tanque
aproximadamente entre 6000 y 8000 galones por ejemplo, los tanques de la planta son de mayor capacidad
y tienen elementos para su control como respiradores, orificios por inspeccin de ingreso de operario
tambin cuenta con un dique, precalentadores, filtros etc. As mismo cuenta contometros de flujo
calibrados a la T de transporte de petrleo, es decir, a 40 a 45 C.
En el almacenamiento en planta los tanques utilizan de manera similar teniendo los accesorios y equipos
correspondientes
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ESQUEMA:
En la estacin de precalentamiento y bombeo a las calderas de petrleo debe alcanzar una T aprox. 90 95
C y una presin de atomizacin adecuada. Generalmente se utiliza el vapor de la planta para el
precalentamiento, siendo precalentado al inicio con intercambiadores elctricos haciendo recircular el
petrleo bunker hasta que se alcance la T indicada.
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1. recepcin
2. tanque de almacenamiento
3. estacin de bombeo a planta
4. tanque de almacn en planta
5. alimentacin de quemadores
6. sistema de calentamiento
a. accionamiento a turbina
b. accionamiento a motor elctrico
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CARACTERISTICAS TERMICAS DEL PETROLEO BUNKER-C
NORMA___________________________________ASTM D 396 80
GRADO____________________________________5
GRAVEDAD API_____________________________16.3
PUNTO DE INFLAMAC. (F)_____________________235(112.7C)
VISCOSIDAD FUROL a 122 F____________________270
CENIZA % PESO______________________________0.08
PUNTO DE FLUIDEZ, F_________________________60 (15.55C)
AZUFRE % PESO______________________________1.0
PODER CALORIFICO SUP BTU/Lb_________________18855
AGUA Y SEDIMENTOS % VOL.___________________0.10
GRAVEDAD ESPECIFICA________________________0.9674
LITROS / GALON AMERICANO____________________7.973
TEMPERATURA DE BOMBEO MINIMA (F) __________112 (44.4C)
TEMPERATURA DE ATOMIZACION:
TIRO FORZADO_________________________210-225, (98-107C)
TIRO NATURAL_________________________225-250, (107-121C)
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REPASO DE TURBOMAQUINAS
1. PERDIDAS PRIMARIAS
EC. DARCY
N Reynolds (Re):
2. PERDIDAS SECUNDARIAS
K.La altura del sistema
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PROBLEMAS QUE OCASIONAN LAS IMPUREZAS DEL AGUA EN EL INTERVALO DE LA
CALDERA
En general tenemos:
La incrustacin
La corrosin Los arrastres
La fragilidad caustica
LA INCRUSTACION:
Esta es causada por las sales de calcio y magnesio las cuales se depositan en las paredes de los
tubos ( interior) cuando se produce la vaporizacin, las sales se pegan en las paredes de los tubos
y se forma una pelcula de incrustaciones, esto ocurre porque los componentes de calcio y
magnesio son relativamente insolubles en el agua y tienden a precipitar todo ello provoca que
estas incrustaciones reducen la eficiencia de la caldera ya sea porque forman una resistencia
trmica adicional, con recalentamiento de los tubos que puede originar su falla, reduce el rea de
paso por el flujo del agua.
De transf. Calor:
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MEDIOS PARA EVITAR O REDUCIR LA FORMACION DE INCRUSTACIONES
a. Removiendo las sales de dureza del agua que entran al caldero, es decir, ablandando en
los lmites adecuados el agua antes de su ingreso a la caldera planta de tratamiento del
agua.
b. Aadiendo reactivos al agua para provocar que los slidos formen en sedimento blando
que puede ser removido por el desfogue del caldero.
a estos reactivos que producen la sedimentacin se les llama filoculantes su costo es
elevado y su dosificacin va estar en funcin de la calidad del agua de alimentacin a la
caldera y por eso es necesario controlar el ablandamiento del agua en la entrada de la
caldera.
MEDIOS PARA REMOVER O ELIMINAR LA PELICULA GRUESA DE
INCRUSTACIONES
a. Por medio de reactivos qumicos especiales que remueven las sales dosificndolas para
evitar o disminuir la incrustacin.
b. Por medios mecnicos en donde se emplea una roseta, que tiene accionamiento elctrico
y la limpieza se efecta tubo por tubo, es una media eliminacin lento.
c. Mediante ultrasonido donde se introduce en el interior del tubo de la caldera un emisor de
ondas, el cual origina resquebramiento320 de las incrustaciones.
LA CORROSION
Se produce generalmente cuando el agua es acida (ph
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SISTEMAS ENERGETICOS (BORRADOR)
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LOS ARRASTRES
Cuando el vapor lleva solidos se dice que se ha producido un arrastre y estas partculas
slidas de depositan en distintos elementos de la caldera como el sobrecalentador de
vapor, las tuberas y en las paletas de la las turbinas (alabes), esto es nocivo porque el
vapor cuando entra a gran velocidad a la velocidad a la turbina, las partculas impactan en
las paletas o alabes y las van desgastando por sectores, lo cual origina un desbalanceo en
el eje de la turbina, ocurre vibracin, por eso es necesario filtrar los arrastres para evitar la
erosin y controlar las espumas originadas por las mezclas con el aceite que vienen de las
bombas de alimentacin de la caldera para esto se emplea antiespumantes y se realizan
drenajes continuos de slidos en las tuberas de alimentacin de vapor sobrecalentado.
FRAGILIDAD CAUSTICA
En las partculas de los domos o colectores de vapor existe una alta concentracin de
esfuerzo y que si se emplea demasiada soda caustica esta se empieza a acumular en esta
zona de alta concentracin de esfuerzo ingresando y produciendo una serie de rajaduras
que ocasionan filtracin
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CIRCUITO DEL AGUA EN UNA CENTRAL TERMICA A VAPOR
CIRCUITO DE ENFRIAMIENTO PARA SERVICIOS AUXILIARES
1) turbo bomba de agua de alimentacin
______ agua fra- - - - - agua caliente
2) turbina reductora de v.t.t y para v.t.f y chumaceras de ventilador
3) compresor de aire enfriador intermedio ( 2 etapas)
4) bomba vertical
5) torre de enfriamiento
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CIRCUITO DE ENFRIAMIENTO EN EL TURBOGENERADOR
1) turbina2) Condensador
3) Enfriador de cojinetes
4) Enfriador de aire del generador
5) Torre de enfriamiento
______ agua fra
-
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SISTEMAS ENERGETICOS (BORRADOR)
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- - - - - agua caliente
Mtodo de clculo de las prdidas de carga en tuberas
Mtodo analtico
Perdida de carga debida a la friccin= relacin entre la longitud y dimetro de tubera
V = velocidad del fluido por la tubera
a , b = factores empricos
Darcyweisbach
V= velocidad media del flujo
g= aceleracin de la gravedad
f= factor de friccin de Darcy
HazenWilliams
En funcin del radio hidrulico
En funcin del dimetro
= radio hidrulico = D/4
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SISTEMAS ENERGETICOS (BORRADOR)
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V = velocidad de agua en el tubo (m/s)
Q = caudal o flujo volumtrico (m3/s)
D = dimetro interior (m)
S = [pendienteperdida de carga por unidad de longitud de conducto] (m/m)
C = coeficiente. Depende de rugosidad de tubo.
Tipo de tubo CAcero soldado 90Hierro fundido 100Fibra cemento 128Polietileno de alta densidad 150Ecuacin de White Colebrook
R = Reynolds
= rugosidad relativaf = factor de rugosidad
El abastecimiento de agua para una central trmica puede provenir de un rio, de un lago, depozos, etc y mientras el agua extrada tenga menor cantidad de impurezas ser de mejor calidad
De las impurezas o elementos extraos que tare el agua podemos mencionar en general:
Sales minerales en solucin (bicarbonato,sulfato, cloruros nitratos en forma de
calcio magnesio, sodio y potasio )
Slidos en suspensin o turbidez que puede contener partculas de arena algunos
xidos de hierro, arcilla greda, gases disuelto como el oxgeno, dixido de carbono,
nitrgeno, metano, etc.
Materia orgnica microorganismos de origen vegetal y animal aceites, productos de
aguas servidas.
Las impurezas del agua que pueden ser admitidos en ella y por ende su calidad
dependen de ciertos parmetros como son
a. El uso al cual est destinada
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SISTEMAS ENERGETICOS (BORRADOR)
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b. De la naturaleza y la cantidad de impurezas presentes
c. Las tolerancias varan de acuerdo a cada caso particular de impuestos.
PROCESOS DE CAPTACION DEL AGUA
SISTEMA DE ALIMENACION DE AGUA
UNIDADES DE ANALISIS DEL AGUA
Se utiliza el ppm parte por milln GPG granos por galon americano # de granos de una sustancia de un galn americano
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1 libra = 700 gramos ; 1 galn americano = 3.78 litros
AGUA DURA:
Se debe fundamentalmente al contenido del Ca y Mg y entonces se habla dureza de calcio ydureza de magnesio
DUREZA TOTAL:
Es la suma de la dureza del Ca y Mg y usualmente se mide en ppm
El agua de alimentacin para las calderas se obtiene por varios procedimientos como:
a. Desmineralizacinb. Destilacin
IMPUREZAS COMUNES EN EL AGUA Y POSIBLE EFECTOS CUANDO ES USADO DIRECTAMENTE EN
CALDEROS
CONSTITUYENTE COMPOSICIO
N QUIMICA
PRINCIPAL ORIGEN DE LAS
SUSTANCIAS CONSTITUYENTES
POSIBLES EFECTOS CUANDO ESTAN
PRESENTE EN EL AGUA DEL CALDERO
BICARBONATO
DE CALCIOCa(HCO3)2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION
CARBONATO DE
CALCIOCaCO3 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION
CLORURO DE
CALCIOCaCL2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION
SULFATO DE
CALCIO
CaSO4 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION Y CORROSION
ACIDO
CARBONICO
H2CO3
ABSORCION DE LA
ATMOSFERA,DEPOSITOS
MINERALES
CORROSION
ACIDO LIBREHCL,H2SO4 DEPOSITOS INDUSTRIALES CORROSION
BICARBONATO
DE MAGNESIOMg(HCO3)2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION
CARBONATO DE
MAGNESIOMgCO3 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION
CLORURO DE
MAGNESIOMgCl2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION Y CORROSION
ACEITES Y
GRASASDESPERDICIOS INDUSTRIALES CORROSION DEPOSITO Y ESPUMA
MATERIA ORGANICA Y
ALCANTRILLADO
DESPERDICIOS DOMESTICOS E
INDUSTRIALES
CORROSION DEPOSITO Y ESPUMA
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SISTEMAS ENERGETICOS (BORRADOR)
OXIGENO O2 DE LA ATMOSFERA CORROSION
SILICE SiO2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION
BICARBONATO
DE SODIONaHCO3 DEPOSITOS MINERALES ESPUMA Y FRAGILIDAD
CARBONATO DESODIO
Na2CO3 DEPOSITOS MINERALES ESPUMA Y FRAGILIDAD
CLORURO DE
SODIO
NaCl DESPERDICIOS INDUSTRIALES y
DEPOSITOS MINERALES
INERTE, PERO PUEDE SER CORROSIVO
BAJO CIERTA CONDICIONES
SOLIDOS SUSPENDIDOSDESPERDICIOS INDUSTRIALES ESPUMA, LODO O INCRSUTACIONES
VELOCIDADES RECOMENDADAS Y CAIDAS DE PRESION MAXIMA PERMISIBLE PARA LIQUIDOS
FLUIDOSVELOCIDAD
RECOMENDADA (ft/s)CAIDA DE PRESION MAXIMA PERMISIBLE
(Psi/100 ft)
succion de bombas
SERVICIOS GENERALES 4 a 10 2
LIQUIDO SATURADO 1 a 4 0.05 a 0.25
LIQUIDO SUBENFRIADO 1 a 6 0.2 a 1
AGUA DE ENFRIAMIENTO 1 a 8 0.2 a 1
LIQUIDOS CORROSIVOS Y/O
EROSIVOS 3 a 6
descarga de bombasSERVICIOS GENERALES 5 a 10
LIQUIDO SATURADO 5 a 15
LIQUIDO SUBENFRIADO 5 a 15
AGUA DE ENFRIAMIENTO 5 a 15
AGUA DE ALIMENTACION 8 a 15
LIQUIDOS CORROSIVOS Y/O
EROSIVOS 3 a 6
DESCARGA DE AGUA E
HIDROCARBUROS 2
DESCARGA DE ALATA PRESION
700psig 3 a 4
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