UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ENERGÍAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ENERGIA

“BALANCE TERMICO DE UN GENERADOR DE VAPOR”

CURSO:

LABORATORIO DE INGENIERIA TERMICA E HIDRAULICA EXPERIMENTAL

PROFESOR:PROFESOR:

ING. ALEJOS ZELAYA JORGEING. ALEJOS ZELAYA JORGE

GRUPO HORARIO:GRUPO HORARIO:

03 L03 L

ALUMNOS:ALUMNOS:

CABEZAS JACINTO ELIZABETHCABEZAS JACINTO ELIZABETH 982982 D982982 D

BELLAVISTA - CALLAO

20102010

I. RESUMEN

Un grupo productor de vapor de agua es una combinación de aparatos que puede constar de cualquiera o de todos los siguientes: Caldera, hogar, equipo de quemadores o el necesario para quemar el combustible, cámaras de agua, purificadora de vapor, recalentador, atemperador, economizador y calentador del aire.

En el presente trabajo vamos a analizar el comportamiento de una Caldera Pirotubular, (Balance Térmico), para así determinar a partir de su eficiencia y de los calores perdidos, en qué estado se encuentra para luego poder generar posibles ideas de solución.

II. OBJETIVOS

OBJETIVO RINCIPAL

Determinar y contrastar la eficiencia térmica de la caldera por método directo y la eficiencia térmica de la caldera por método indirecto

OBJETIVO ESPECIFICOS

Determinar el calor absorbido por el agua o calor útil. Determinar las pérdidas de calor por gases de escape, calentamiento del aire,

evaporación del agua de formación, combustión incompleta, convección y radiación y otros

III. MARCO TEORICO

La distribución del calor resultante de la combustión del combustible en el hogar de una caldera se comprende mejor por medio del balance térmico, el cual consiste en confeccionar una tabla con el calor absorbido por el generador de vapor y con las varias pérdidas concurrentes en la combustión. Generalmente estas pérdidas se expresan en porcentajes, donde el total tendrá que ser el poder calorífico del combustible quemado y a su vez será el 100 por ciento. Los conceptos a utilizar son los siguientes:

1. CALOR ABSORBIDO POR EL GENERADOR DE VAPOR

Es el calor absorbido por el generador de vapor (incluyendo el economizador y recalentadores, en caso de utilizarlos).

2. GASES DE ESCAPE

Estas pérdidas son quizás las más importantes, ya que son estas las que generan la mayor cantidad de pérdidas en la caldera. Estas pérdidas están asociadas principalmente al calor sensible del CO2, SO2, O2 Y N2 presentes en los gases de combustión.

Los gases presentes en la combustión se presentan en el siguiente cuadro:

GAS CARACTERISTICASOxígeno (O2) Proviene del exceso de aire utilizado.Dióxido de Carbono (CO2) Proviene del combustible y es el producto

principal de la combustión. Es un gas de efecto invernadero.

Monóxido de Carbono (CO) Es producto de la combustión incompleta. Es un gas contaminante muy nocivo.

Dióxido de Azufre (SO2) Proviene del combustible. Su producción es inevitable y perniciosa. S un gas contaminante, es responsable de la lluvia ácida y de afecciones bronco-pulmonares.

Óxidos de Nitrógeno (NOX) Proviene del aire de combustión. Se produce a altas temperaturas. Son gases contaminantes, son responsables de afecciones bronco-pulmonares.

Metano (CH4) Proviene del combustible.

3. CALENTAMIENTO DE LA HUMEDAD DEL AIRE

Estas pérdidas son pequeñas.

4. EVAPORACION DEL AGUA DE FORMACION

El Hidrógeno del combustible al quemarse se transforma en agua, la cual abandona la Caldera en forma de vapor.

5. COMBUSTION INCOMPLETA

Esta pérdida es generalmente es pequeña y es debida a que el aire suministrado es insuficiente, lo cual da como resultado que parte del Carbono del combustible forme Óxido de Carbono.

6. CONVECCION, RADIACION Y OTROS

La variación aceptable por pérdidas de radiación mas convección deben estar entre 0.5% y 5% a plena carga, de acuerdo con el tamaño de la caldera. En caso de tener pérdidas por este concepto mayores a las permitidas, se recomienda reducirlas poniendo en práctica las siguientes acciones:

Reparar total o parcialmente los refractarios y/o aislamientos. Aumentar el espesor del aislamiento o instalar otro tipo de aislamiento con mejores

propiedades. Procurar que las unidades trabajen en lo posible a carga nominal.

Cabe hacer un comentario: el balance térmico tal como se calcula ordinariamente da únicamente las pérdidas reales del generador de vapor trabajando durante un período de tiempo limitado, pero no representa condiciones promedio de trabajo, toda vez que no se consideren las pérdidas circunstanciales. Estas pérdidas comprenden:

Pérdidas caloríficas que se producen al apagar la Caldera.

Combustible requerido para poner en marcha la caldera estando fría. Combustible quemado mientras se arreglan los fuegos. Calor perdido con el agua al hacer purgas, y al limpiar las superficies de la Caldera.

A. PROCESO TERMODINÁMICO:

CALOR ÚTIL (Q1).

definido por :

Q1=m0

v

m0

c

[h2−h1] ,KJKgC

m0

v = flujo del vapor.

m0

c = flujo del combustible.

m0

v=mv

t

m0

c=π×D2×Δhc×ρc

4×Δt

Donde:

mv = masa de vapor =masa de H2O consumida = mA

mA = m = raVa Donde: Va =Volumen de H2O

Va =

πDa2

4∗ha

ra =Densidad del H2O

ra =1 gr/cc

D =Diámetro del cilindro que contiene el agua

mo =Vcro Donde:Vc=

πDc2

4∗hc

rc = 0.876 gr/cc

Dc = Diámetro del cilindro que contiene el combustible

h1 = hf a presión de caldero

h2 = hg a presión del caldero

CALOR PERDIDO POR EVAPORACIÓN DEL AGUA (Q2).

Q3=9mH 2

°

m.

C

[4 .18(100−Tc )+2257+1 .8723(Tg−100)] , KJKgC

Tc = temperatura del combustible (ºC).

Tg = temperatura de gases (ºC).

CALOR PERDIDO POR LOS GASES DE ESCAPE (Q3).

Q3=mg

mc

c pg(T g−T BS )KJKgC

mg

mg

mc

=(4 (%CO 2 )+(%O2 )+7003(%CO2+%CO ) ) xC Kggases

KgC

TBS=Temp. Bulbo Seco

CALOR PERDIDO POR HUMEDAD DEL AIRE (Q4).

Q4=

mh2o

mc

¿1.8723∗(T g−TBS ), KjKgC

ra /c∗3 .06 (%N2 )%CO2+%CO .

∗C de análisis de combustión

CALOR PERDIDO POR LA COMBUSTIÓN INCOMPLETA (Q5).

Q5=23695 .33 xC [%CO%CO+%CO 2 ]KJ

KgC

Ta=T BS

Donde: C=0.85 Lb C/Lb Comb.

Ta = temperatura del aire.

TBS = temperatura del bulbo seco.

CALOR PERDIDO POR FUGAS Y RADIACIÓN (Q6).

Q6=Pc−∑i=1

5Q i

Donde: PC = Poder calorífico del Combustible.

EFICIENCIA TÉRMICA (nT).

ηt=Q1

Pc

POTENCIA DEL CALDERO (HPCALD).

HPcald .=mv (hs−hi )15 .66∗2257

,BHPcaldera

IV.- ESQUEMA PRINCIPAL DEL EQUIPO

A. Partes sometidas a presión• Superficie de calefacción

• Tanque de almacenamiento para el agua y vapor• Superficie de recalentamiento

B. Equipos de combustión• Bomba de inyección• Quemadores• Reguladores de flujo de combustible

C. Equipos auxiliares

• Medidores de fluido e vapor

• Sopladores de hollín

• Desviador de gases

• Bomba de agua

• Indicador de nivel

• Termómetros

• Manómetros

• Válvula de seguridad

• Ablandador de agua

• Tanque de sal muera

• Tanque de condensado

• Calentador

BACHARAT (Equipo digital utilizado para el análisis de gases de combustión )

Ciclómetro (Para medir las temperaturas de Bulbo seco y de bulbo húmedo)

Contador digital para medir la cantidad de masa que atraviesan las tuberías.

PROCEDIMIENTO

1. Escoger el tipo de combustible a utilizar poniendo el interruptor en la posición OIL o GAS.

2. Verificar que todas las válvulas y demás instrumentos estén puestos en un adecuado orden de funcionamiento.

3. Revisar el nivel de agua en el tanque de condensado y abrir las válvulas de línea de la bomba a la caldera. Comprobar que los grifos de nivel visible en la columna de control de nivel estén abiertos; y abrir la válvula de purga de aire ubicada en el árbol de la columna de nivel.

4. Se debe colocar el interruptor de la bomba de agua ubicado en el tablero auxiliar en posición ``AUTOMÁTICO, en esta forma el nivel de agua llegara a su punto normal. Las válvulas de purga y las válvulas de salida principal de vapor deben estar cerradas. La válvula de purga de aire debe permanecer abierta, hasta que empiece a salir vapor; luego se deberá cerrar.

5. El encendido de la caldera se debe dar aproximadamente 45 minutos antes de tomar los datos iniciales, este es el tiempo aproximado para que el proceso termodinámico empiece a generarse.

6. Hacer la toma de datos iniciales en simultáneo de: los gases de escape, presión de la caldera, temperatura del bulbo seco, temperatura del bulbo húmedo, temperatura del agua, temperatura del combustible y del flujo másico del vapor este ultimo por medio de conservación de la masa hallando el volumen desplazado del tanque de agua .

VI. TABULACION DE DATOS

Parámetro Símbolo Dato registradoPresión de trabajo Pv 85 psi.Temperatura de agua de alimentación

Tagua 26 0C

Temperatura de bulbo seco TBS 22 0CTemperatura de bulbo húmedo TBH 20 0CTemperatura de gases de chimenea Tg 1780CTemperatura de combustible Tc 25.5 0C

Tiempo (min)

Flujo (Kg/h)

masa de vapor

(Kg)1 566.56 54755.22 504.33 54766.53 481.19 54775.14 472.98 54784.15 449.65 54791.56 436.62 54800.37 422.45 54807.18 407.13 548139 400.7 54819.7

10 384.36 54829.911 368.67 54839.312 366.95 54838.613 368.04 54844.714 373 54850.815 384.02 54857.916 385.4 54863.617 391.84 5487018 386.86 54876.719 385.4 54883.120 389.29 54889.6

h combustible = 1.6 cm tanque combustible = 62 cm

Tiempo = 20 min

Datos obtenidos con el analizador de gases BACHARAT (equipo digital para el análisis de los gases de combustión)

Porcentaje de Oxígeno %O2 7%Porcentaje de Dióxido de carbono %CO2 10.2 %Cantidad de Monóxido de carbono CO 8 ppm

VI. MODELO DE CÁLCULO

1. METODO DIRECTOCon la ayuda de los valores de Temperatura de alimentación de agua, y del valor de la presión de trabajo, además conociendo que el producto final que sale de la caldera es vapor saturado, vamos a determinar las entalpias en los puntos inicial y final, para así luego determinar el calor útil y poder conocer el valor de la eficiencia de la caldera.

Para conocer la eficiencia de la caldera usaremos la siguiente ecuación:

Hallando las entalpias de entra y salida

Pv = 85 psi = 586.054 KPa

hs = h vapor saturado (P = 85 psi y X = 1) =2756 [kJ/kg]he = h liquido comprimido (P = 85 psi y T = 26 0C) = 113.7 [kJ/kg]

Hallando el flujo de vapor

El área bajo la curva nos da la masa de vapor

Tenemos que:

mvapor=Area bajola curva=130.8Kg

Luego el flujo de vapor

mvapor=130.8Kg20min

x60min

h=392.4 Kg

h

Ahora calculamos el flujo de combustible (Diesel). En este cálculo se va a utilizar el desnivel producido en el tanque de combustible.

Combustible: Diesel D-2 ( S = 0,876 y Pc = 19 300 BTU / lbc )

mc = ρ x

Areadel tan queTiempodeprueba x hc

mc=Vc x (S x ρagua) x ∆hcomb

t=

π x d2 x (S x ρagua)x ∆hcomb

4 t

m c=

π x (0.620m)2 x (0.876 x1000.Kg

m3 )x (0.0165m)

4 x 20min=0.2181

Kgcomb

min

m c=13.09kg .de combustible /h

Luego reemplazando en la ecuación principal.Para el combustible Diesel; PC = 19300 BTU/lb. = 44898.57 KJ/Kg

ηc=196.2

kgagua

hx (2756−113.7) kJ

kgagua

13.09Kg comb

hx 44898.57

KJKgcomb

=0.8820≠88.20%

2. METODO INDIRECTO (CALORES PERDIDOS)

Calor absorbido por el agua o calor útil

Qu=mv x(hs−he)

mc

Qu=196.2

kgagua

hx(2756−113.7) kJ

kgagua

13.09Kgcomb

h

=39604.22 kJKgcomb

Calores perdidos

a. Gases de escape (Pg) Pg=mg x ceg x (T g−T a)

mg (lbg / lbc )=4 (%CO2)+%O2+7003(%CO2+%CO)

x C

dondeC = 0.85 lbc/lbcombustible

Ceg = 0.24 BTU/lbc-0F

mg ( lbg / lbc )= 4 x10.2+7+7003(10.2+0.0008)

x 0.85

mg ( lbg / lbc )=20.772

Reemplazando

Pg=20.772 x 0.24 x (178−22)Pg=777.7036 BTU / lbc

Sabemos que:

1 BTU = 1.054 KJ1 lb = 0.453592 Kg

Pg=777.7036 BTUlbc

x1.054KJ1BTU

xlbc

0.453592Kgc

Pg=1807.129 KJKgc

b. Calentamiento de la humedad del aire (Pcha)

Con la ayuda de la CARTA PSICRÓMETRICA, sabiendo que tenemos como datos la TBS y TBH hallamos la humedad especifica. W = 0.0139 lbvapor/lbaire seco

Ahora para calcular la relación aire – combustible, vamos a balancear la ecuación de combustión, ya que tenemos como datos el porcentaje de los productos.

DIESEL = C12H23 (Fórmula aproximada)

x (C12H 23 )+a (O2+3.76N 2)→10.2CO2+7O2+b N2+c H 2O+0.0008CO

Luego balanceando los coeficientes:

- Para el Carbono

12 x = 10.2 + 0.0008X = 0.85

- Para el Hidrógeno

23 (0.85) = 2 cc = 9.775

- Para el Oxigeno

2a = 10.2 (2) + 7 (2) + 9.775 + 0.0008a = 22.0879

Luego la relación aire combustible será:

Ra / c=22.0879 (32+3.76∗28)0.85∗(12∗12+23∗1)

=21.361lbaire

lbcombustible

Entonces:

Considerar el calor específico del vapor Cev = 0, 46 BTU / lb – 0FT g=178C≠352.4 F

TBS=22C≠71.6 F

Pcha= (W xRa / c) x cev x (T g−TBS )

Pcha= (0.0139x 21.361 ) x0 ,46 x (352.4−71.6 )

Pcha=38.352BTUlb

≠89.202 KJKg.

c. Evaporación del agua de formación (Peaf)

Peaf=9H [ (212−T c )+970.3+0.46(T g−212)]

Tc = 25.5 0C = 77.9 0F

Tg = 178 0C = 352.4 0F

H = 0.15 lbH/lbc

Peaf=9∗0.15 [ (212−77.9 )+970.3+0.46(352.4−212)]

Peaf=1578.1284BTUlbc

Peaf=1578.1284BTUlbc

×4.1868KJ3.968 BTU

×2.2lbc

Kg.

Peaf=3663.326KJKg .

d. Combustión incompleta (Pci)

Pci=( %CO%CO2+%CO ) xC x 10190

Donde al reemplazar obtenemos:

Pci=( 0.000810.2+0.0008 ) x 0.85(lbc /lbcomb .) x10190

Pci=0.6792(BTUlb. )×( 2.2lb .

Kg . )×( 4.1868KJ .3.968BTU

)

Pci=1.5768( KJKg. )

e. Convección – Radiación y Otros (PC-R)

PC−R=PC combustible−∑ Pérdidas /mc

PC−R=44898.57( KJKg. )−(39604.22+1807.129+89.202+3663.326+1.5768)( KJ

Kg .)

PC−R=266.88( KJKg . )

Con lo cual ahora comparamos con los valores permitidos que son como máximo 5% y como mínimo 0.5 % del PC del combustible, los cuales son:

5%PC combustible=5(44898.57 )100

=2244.9285

0.5%PC combustible=0.5(44898.57 )100

=224.4928

224.4928( KJKg . )<266.88( KJ

Kg . )<2244.9285 ( KJKg .

)

Vemos que las perdidas por Convección, Radiación y otros no están dentro del rango establecido.

Hallando la eficiencia de la caldera

ηc=100−(3.9776+0.1963+8.063+0.00349+0.5874)

ηc=87.17%

Que es aproximado al que nos sale en el Método Directo.

VII. TABULACION DE RESULTADOS

Método DirectoηC 88.20%

Método IndirectoQu (KJ/Kg) 39604.22Pg (KJ/Kg) 1807.129

Pcha (KJ/Kg) 89.202Peaf (KJ/Kg) 3663.326Pci (KJ/Kg) 1.5768PC-R (KJ/Kg) 266.88

ηC 87.17%

DIAGRAMA DE SANKEY

VIII. OBSERVACIONES

Lo más recomendable es que el sistema de tuberías de la caldera este aislada para disminuir en lo posible las perdidas.

Las superficies externas de la caldera se encuentran a alta temperatura, por esta razón que se debe tener mucho cuidado para evitar cualquier tipo de accidentes.

Si los datos de la experiencia no es el correcto, es por el error en la toma de datos por la falla de los equipos por ejemplo el flujometro.

IX. CONCLUSIONES .

La eficiencia del método directo y la eficiencia del método indirecto son similares

Los perdidas de calor como vemos en el diagrama de sankey por la cual hay buena eficiencia