UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE UNA CALDERA INDUSTRIAL DE 94 CC DE TIPO ACUOTUBULAR QUEMANDO GAS NATURAL. T E S I N A QUE PARA OBTENER EL DIPLOMA DE ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA TÉRMICA PRESENTA: ING. DOMÍNGUEZ HERNÁNDEZ ALAN IRVING. DIRECTOR DE TESINA: DR. GEORGIY POLUPAN CIUDAD DE MÉXICO JUNIO 2017 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
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UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOacutePEZ MATEOS
SECCIOacuteN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIOacuteN
CARACTERIZACIOacuteN TEacuteRMICA DE UNA CALDERA
INDUSTRIAL DE 94 CC DE TIPO ACUOTUBULAR
QUEMANDO GAS NATURAL
T E S I N A
QUE PARA OBTENER EL DIPLOMA DE
ESPECIALIZACIOacuteN EN INGENIERIacuteA TEacuteRMICA
PRESENTA
ING DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING
DIRECTOR DE TESINA
DR GEORGIY POLUPAN
CIUDAD DE MEacuteXICO JUNIO 2017
INSTITUTO POLITEacuteCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIacuteA MECAacuteNICA Y ELEacuteCTRICA
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
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Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se