TRANSFERENCIA DE CALOR

<<CALDERAS>>

INGENIEROS EN PROCESO:

SAURITH URRARIYU YECITH DE JESUS

ARIAS CHOLES JESUS ANDRES

PANA HERNANDEZ AMILKAR JAVIER

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA

FACULTAD: INGENIERIA

PROGRAMA: INGENIERIA MECANICA

RIOHACHA - LA GUAJIRA

2015

TRANSFERENCIA DE CALOR

<<CALDERAS>>

DOCENTE:

GAIL ALBEIRO GUTIERREZ RAMIREZ

INGENIERO MECANICO

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA

FACULTAD: INGENIERIA

PROGRAMA: INGENIERIA MECANICA

RIOHACHA - LA GUAJIRA

2015

INTRODUCCION

Una caldera es un cambiador de calor, transforma la energía química del combustible en energía calorífica. Además, intercambia este calor con un fluido, Generalmente agua, que se transforma en vapor de agua. En una caldera se produce la combustión que es la liberación del calor del combustible y la captación del calor liberado por el fluido. La caldera es necesaria para poder realizar la gran mayoría de los trabajos y a su vez, también para el confort de las personas ya que gracias a ella las personas reciben calor en todos los lugares que posean una caldera. Este calor recibido de la caldera viene dado por los mecanismos básicos de transmisión de calor: la conducción es el calor que pasa de una parte a la otra de la pared del hogar, o de los tubos de humos; la convección, los tubos de humos se calientan al contacto con los productos de combustión y, por último, la radiación se produce un intercambio de calor de la llama a las paredes del hogar. Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil. Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido. La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776. Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de Cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial. Entre las diversas aplicaciones de la energía, si miramos a nuestro alrededor nos daremos cuenta que todo sucede gracias a la energía, sin ello no habría vida en la tierra. Todos los tipos de energía se pueden transformar así como nos redacta la primera Ley de Termodinámica, nos dice que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma de una forma a otra lo cual implica siempre un trabajo. En este caso estudiaremos la transferencia de energía mediante las calderas ya que estas son muy utilizadas en las industrias, aunque si bien existen otras aplicaciones como calefacción, calentamiento de aguas sanitarias. En las que no entraremos en detalles, ya que nos vamos a enfatizas al estudio de balance de energía, balance de masa. Y finalmente haciendo una comparación del comportamiento del proceso de transferencia de calor en estos dispositivos como son caldera de acuotubular y calderas pirotubular.

Objetivos

Objetivo general:

Estudiar y analizar el comportamiento energético a través de las calderas (c.

acuotubular y c. pirotubular) observando como tal el funcionamiento y

comportamiento de los balance de masa y de energía de cada componente del

sistema en este caso las calderas.

Objetivos específicos

Investigar conceptualmente el tema de Calderas Industriales, de manera

de entregar una investigación relevante de los balances de energía.

Conocer los diferentes elementos que integran una caldera, así como la

clasificación de la misma.

Conocer el principio y el funcionamiento de las calderas para identificar

los flujos energéticos útiles y las pérdidas de energía.

Realizar un balance energético en una caldera, determinando la

localización y magnitud de las pérdidas energéticas

Comparar las diferencias y similitudes entre las calderas acuotubular y

pirotubular.

CALDERA

La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar

vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de

calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido,

se calienta y cambia su fase a vapor saturado.

Esto quiere decir que la caldera es un caso particular de intercambiadores de

calor; que transforma la energía química del combustible en energía calorífica.

Además, intercambia este calor con el fluido, generalmente agua, que se

transforma en vapor de agua. En una caldera se produce la combustión que es

la liberación del calor del combustible y la captación del calor liberado es por el

fluido, las calderas son parte fundamental de las termoeléctrica pues generan

electricidad a partir del ciclo Rankine.

Las calderas son recipientes a presión, por lo cual son construidas en partes

con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.

PARTES DE UNA CALDERA

Una caldera está compuesta principalmente de:

Hogar o cámara de combustión, en el cual tiene lugar la combustión del

combustible, su forma y tamaño depende del tipo de combustible.

Un cuerpo intercambiador en el que se absorbe parte del calor liberado

en la combustión. Es la zona donde se encuentra el agua; y forma parte

de la caldera.

Una envolvente que aísla térmicamente el hogar y el cuerpo

intercambiado.

Hogar holandés es el hogar suplementario exterior a la propia

disposición de la caldera y usado para aumentar el volumen del hogar.

CLASIFICACION DE TIPOS DE CALDERAS

Las calderas industriales se pueden clasificar en pirotubular y acuotubular, los

tubos de fuego y gases calientes son las Calderas pirotubulares, y las de tubos

de aguas son las Calderas acuotubulares.

Caldera Pirotubulares:

En las calderas pirotubulares el fluido se encuentra en estado líquido contenido

en un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula fuego y gases

a altas temperatura producto de un proceso de combustión, este tipo de

caldera son básicamente recipientes metálicos, comúnmente de acero, de

forma cilíndrica o semicilíndrica, atravesados por grupos de tubos por cuyo

interior circulan los gases de combustión, y así mismo pueden producir agua

caliente o vapor saturado, por problemas de resistencia de materiales, su

tamaño es limitado. Sus dimensiones alcanzan a 5 mts de diámetro y 10 mts.

de largo. Se construyen para Flujos máximos de 20.000 Kg./h de vapor y sus

presiones de trabajo no superan los 18 Kg./cm2.

Caldera Acuotubulares:

En las calderas acuotubulares el agua circula por dentro de los tubos

desplazándose a través de ellos durante su calentamiento, ya que los gases

calientes pasan alrededor de los tubos. Estos tubos están situados en el

exterior del calderín de vapor. Este tipo de calderas son las más utilizada en las

centrales termoeléctricas ya que permiten altas presiones a su salida y tienen

gran capacidad de generación. Las ventajas de este tipo de calderas son:

Puede obtenerse mayor capacidad aumentando el número de tubos,

independientemente del diámetro del calderín de vapor.

El calderín está expuesto al calor radiante de la llama

La mayor ventaja es la libertad de incrementar las capacidades y

presiones.

Este tipo de caldera facilitan el montaje de la misma, da mayor de calidad en

fabricación y es más económico.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN LAS CALDERAS PIROTUBULARES Y

ACUOTUBULARES

Calderas pirotubulares: El combustible se quema en un hogar o

cámara de combustión, en donde tiene lugar la transmisión de calor por

radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los

tubos que constituyen la red tubular de la caldera, y donde tiene lugar el

intercambio de calor por conducción desde las superficie del interior

hasta la superficie exterior de los tubos y por convección desde la

superficie del exterior de los tubos al fluido que en este caso es agua.

Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través de la red

tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de

calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los gases caliente solo

atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra

mediante las denominadas cámaras de gases o cámara de humo. Una

vez realizado el intercambio térmico, los humos y gases son expulsados

al exterior a través de la chimenea.

Calderas Acuotubulares: Estas calderas, constan de un hogar

configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente

refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y

constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los

gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través

del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y

constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los

gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea.

BALANCE DE ENERGIA Y BALANCE DE MASA PARA UNA CALDERA

Aquí nos centraremos en el estudio de las calderas acuotubulares ya que estas

son las más utilizadas en la actualidad en las centrales termoeléctricas, en la

caldera acuotubulares, con flujo estable, tenemos agua en los tubos q pasan

por los domos y gas q calienta las paredes de los tubos provocando una

convección forzada y radiación.

Fig. 1 CALDERA ACUOTUBULAR

CHIMENEA

VAPOR SOBRECALNT.

SOBRECALENTADOR

𝑄 LOST

DOMO SUPERIOR

CIRCULACION NATURAL

DOMO INFERIOR

ENTRADA DE AGUA

HOGAR DE

COMBUSTION

Figura. 2 funcionamientos de una caldera acuotubular

A continuación realizaremos el balance de masa y el balance de energía

tomando como volumen de control el agua, luego el gas y por último la caldera

en si (todo el sistema).

BALANCE DE ENERGIA PARA LOS DOMOS

DOMO SUPERIOR: Es un recipiente de configuración horizontal de mayor a

menor espesor en función del vapor producido. El tamaño del mismo será

necesario para contener los elementos de separación y admitir los posibles

cambios de nivel según la carga.

Figura 3. Funcionamiento del domo superior.

AGUA DE

ALIMENTACION

AGUA + VAPOR

VAPOR SATURADO

AGUA

VAPOR

AGUA

SUPUESTOS:

Partimos del hecho que la caldea se encuentra en funcionamiento, es

decir, que en el interior del domo superior siempre hay

aproximadamente las mismas condiciones de temperatura, presión y

volumen.

Supondremos que en el domo superior siempre habrá un equilibrio de

fase ente líquido saturado y vapor saturado.

En el domo superior no hay parte móviles, no se realiza ningún trabajo

(W= 0).

En el domo superior no hay un aporte directo de calor (Q = 0).

Se considera que la energía potencial y la energía cinética son nulas.

BALANCE DE MASA PARA ESTADO ESTABLE (DOMO)

𝑚𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 ≫ 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑑

𝑑𝑡𝑚𝑣𝑐 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡 − Σ𝑚 𝑖𝑛

Donde: 𝑑

𝑑𝑡𝑚𝑣𝑐 ≈ 0

0 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡 − Σ𝑚 𝑖𝑛 𝑚 𝑤 ≈ 𝑚 𝑣

𝑄𝑖𝑛

𝑚 𝑤ℎ𝑤

𝑚 𝑣 ℎ𝑣

BALANCE DE ENERGIA PARA ESTADO ESTABLE (DOMOS).

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡 − 𝐸 𝑖𝑛

Donde: 𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 ≈ 0

0 = 𝑄 𝑖𝑛 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 −𝑚 𝑣ℎ𝑣

𝑄 𝑖𝑛 = 𝑚 𝑣ℎ𝑣 −𝑚 𝑤ℎ𝑤

BALANCE DE ENERGIA PARA ESTADO NO ESTABLE (DOMOS).

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡 − 𝐸 𝑖𝑛

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝑄 𝑖𝑛 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 −𝑚 𝑣ℎ𝑣

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝐿𝑖𝑞 +

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑄 𝑖𝑛 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 −𝑚 𝑣ℎ𝑣

𝑑

𝑑𝑡(𝑚. 𝑢)𝐿𝑖𝑞 +

𝑑

𝑑𝑡(𝑚. 𝑢)𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑄 𝑖𝑛 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 −𝑚 𝑣ℎ𝑣

BALANCE DE ENERGIA PARA LOS GASES DE COMBUSTION

COMBUSTION EN UNA CALDERA ACUOTUBULAR:

Suponiendo que el combustible de nuestra caldea es el gas natural aunque

hay cladera q de combustible utilizan el carbon. Si suponemos que el

combustible es gas natural, donde teoricamente el 100% es gas metano 𝐶𝐻4.

El aire aportado en la caldera para la combustion poviene del exterior con una

temperatura ambiente. Antes de entrar en el hogar, el airre es calentado por un

precalentador de aire, gracias al intercambia de calor de los humos de la

combustion que salen de la caldera.

Los humos creado en la combustion llevan un calor, que sera el responsable de

los diferentes intercambio que se iran produciendo en el hogar de la caldera y

que ayudaran a producir el vapor necesario según las necesidades.

Existen tres parte fundamentales dentro del hogar donde se produciran dichos

intercambios de de calor : zona de radiacion, zona de conveccion y

recalentador. Vease la Figura. 2 (funcionamientos de una caldera

acuotubular).

𝑚 𝑔 ℎ𝑔

𝑄 𝑜𝑢𝑡

𝑚 𝑎 ℎ𝑎

𝑚 𝑓 𝑃𝑐

SISTEMA

𝑄

BALANCE DE MASA PARA ESTADO ESTABLE (GASES COMB.)

𝑚 𝑓𝑢𝑒𝑙 ≫≫ 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑑

𝑑𝑡𝑚𝑣𝑐 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡 − Σ𝑚 𝑖𝑛

Donde: 𝑑

𝑑𝑡𝑚𝑣𝑐 ≈ 0

0 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡 − Σ𝑚 𝑖𝑛 Σ𝑚 𝑖𝑛 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡

𝑚 𝑓 +𝑚 𝑎 = 𝑚 𝑔

BALANCE DE ENERGIA PARA ESTADO ESTABLE (GASES COMB.)

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡 − 𝐸 𝑖𝑛

Donde: 𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 ≈ 0

𝐸 𝑖𝑛 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡

𝑚 𝑓 𝑃𝑐 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 = 𝑄 𝑜𝑢𝑡 +𝑚 𝑔ℎ𝑔

BALANCE DE ENEGIA PARA ESTADO NO ESTABLE (GASES COMB.)

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡 − 𝐸 𝑖𝑛

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝑚 𝑓𝑃𝐶 − 𝑄 𝑜𝑢𝑡 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 −𝑚 𝑔ℎ𝑔

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝐿𝑖𝑞 +

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑚 𝑓𝑃𝐶 − 𝑄 𝑜𝑢𝑡 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 −𝑚 𝑔ℎ𝑔

𝑑

𝑑𝑡(𝑚. 𝑢)𝐿𝑖𝑞 +

𝑑

𝑑𝑡(𝑚. 𝑢)𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑚 𝑓𝑃𝐶 − 𝑄 𝑜𝑢𝑡 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 −𝑚 𝑔ℎ𝑔

BALANCE DE ENEGIA PARA LA CALDERA ACUOTUBULAR (SISTEMA

TODA LA CALDERA)

Tomando como el sistema toda la caldera acuotubular el diagrama de cuerpo

libre nos quedaría:

𝑄

𝑚 𝑣 ℎ𝑣

𝑚 𝑤ℎ𝑤

𝑚 𝑔 ℎ𝑔

𝑄 𝑜𝑢𝑡

𝑚 𝑎 ℎ𝑎

𝑚 𝑓 𝑃𝑐

BALANCE DE MASA PARA ESTADO ESTABLE (CALDERA).

𝑑

𝑑𝑡𝑚𝑣𝑐 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡 − Σ𝑚 𝑖𝑛

Donde: 𝑑

𝑑𝑡𝑚𝑣𝑐 ≈ 0

0 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡 − Σ𝑚 𝑖𝑛 Σ𝑚 𝑖𝑛 = Σ𝑚 𝑜𝑢𝑡

𝑚 𝑓 +𝑚 𝑎 +𝑚 𝑤 = 𝑚 𝑔 +𝑚 𝑣

BALANCE DE ENERGIA PARA ESTADO ESTABLE (CALDERA).

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡 − 𝐸 𝑖𝑛

Donde: 𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 ≈ 0

𝐸 𝑖𝑛 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡

𝑚 𝑓 𝑃𝑐 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 = 𝑄 𝑝𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 +𝑚 𝑔ℎ𝑔 +𝑚 𝑣ℎ𝑣

BALANCE DE ENERGIA PAA ESTADO NO ESTABLE (CALDERA)

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝐸 𝑜𝑢𝑡 − 𝐸 𝑖𝑛

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑐 = 𝑚 𝑓𝑃𝐶 − 𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 −𝑚 𝑔ℎ𝑔 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 −𝑚 𝑣ℎ𝑣

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝐿𝑖𝑞 +

𝑑

𝑑𝑡𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑚 𝑓𝑃𝐶 − 𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 −𝑚 𝑔ℎ𝑔 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 −𝑚 𝑣ℎ𝑣

𝑑

𝑑𝑡(𝑚. 𝑢)𝐿𝑖𝑞 +

𝑑

𝑑𝑡(𝑚. 𝑢)𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑚 𝑓𝑃𝐶 − 𝑄 𝑝𝑒𝑟𝑑 +𝑚 𝑎ℎ𝑎 −𝑚 𝑔ℎ𝑔 +𝑚 𝑤ℎ𝑤 −𝑚 𝑣ℎ𝑣

Conclusión

Podemos concluir q las calderas es un dispositivo que cumplen los principios de la primera ley de la termodinámica y los principios de transferencia de calor, ya que la energía utilizada para el calentamiento del agua proviene de una combustión. Así mismo, la energía que no se pudo utilizar en el calentamiento del agua se pierde en forma de calor, pero esta energía no utilizada no se destruye cumpliendo así el principio de la termodinámica que nos plantea que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma. La caldera es un sistema que copera bajo lo establecido por la segunda ley de la termodinámica, siendo la eficiencia máxima menor del 100% debido a las distintas pérdidas durante el proceso, la más importante se debe a la diferencia de temperatura entre la superficie de la caldera y la temperatura ambiente, lo cual crea una pérdida de energía en forma de calor. Como el objetivo de este informe fue estudiar los balances energéticos lo cual fueron evaluados con el fin del aprovechamiento de energías que se presentan en estas calderas y cómo influye esto en su rendimiento, en la realidad las caldera sufren pérdidas y por esto se deben reducir estas pérdidas hacia el medio ambiente con el fin de aumentar su rendimiento. También podemos analizar los diferentes mecanismos de transferencia de calor como la que sucedes con los gases de combustión que viajan alrededor de los tubos que transportan el agua o fluido de trabajo y así se eleva la temperatura del fluido asta evaporizarlo y así aprovechar su energía.

Cibergrafia

http://es.slideshare.net/Gabrania/calderas