Generador de Vapor - 2008I - Copy (2)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

GENERADOR DE VAPORCurso: Laboratorio de Ingenieria Mecanica II

Sección: D

Docente: ING. Villavicencio

Integrantes: Bolaños Salcedo Jose Luis

Pascasio Cruzado Cesar

Tello Lucano Mario

2008_I

GENERADORES DE VAPOR

INTRODUCCION

     Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

    Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

    Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.

Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continua en el nuestro.

    Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. 

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.

Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en

cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc. .

 GENERALIDADES

Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:

1. Cámara de agua.

Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.

El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms. por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.

Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua.

Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua.

Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefacción.

Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.

Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción.

Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.

Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.

2. Cámara de vapor.

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

PRINCIPALES TIPOS DE CALDERAS

Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas de cuyas características se indican a continuación.

 CALDERAS PIROTUBULARES

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado numero de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.

CALDERAS ACUOTUBULARES.

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera.Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea.

Según el tamaño de la caldera llevará uno o dos quemadores, con sus correspondientes rampas de combustible y maniobra eléctrica independiente, teniendo la maniobra de control de potencia de llama , tipo cascada para aprovechar al máximo las inercias térmicas.

Estas calderas por su configuración y diseño, nos permiten alcanzar presiones altas, que de otro modo seria muy difícil conseguir por la legislación vigente sobre diseño de caldera, éstas pueden alcanzar los 45 Kg/cm².

Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases                                                                                                    

CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA

Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera esta preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización instantánea.  Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre

el calor aportado y el caudal de agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al requerido.

Requerimientos mínimos de calidad de agua requeridos para alimentar una caldera:

La caldera de tubos de agua requiere de un tratamiento de agua sumamente preciso, que no puede fallar. Sus requerimientos para una operación confiable son mucho más altos y requieren de un estricto control costoso. La caldera de tubos de agua, requiere de agua deareada a presión, con una eliminación del 100% del oxígeno disuelto, lo cual es totalmente innecesario en una caldera de tubos de humo, que con un sencillo deareador atmosférico, o con un alto contenido de retorno de condensados, elimina la necesidad del mismo. La caldera de tubos de agua, requiere de un control exacto de sales, mediante purgas de superficie, de preferencia continuas, que bajan considerablemente la eficiencia total de la caldera. La caldera de tubos de humo, normalmente, no requiere de las mismas, por lo que su operación es más sencilla, confiable y económica.

Superficie de transferencia de calor de 5 pies² por caballo caldera. 

Los usuarios de calderas en Norteamérica (calderas estampadas con el sello ASME) desde principios del siglo pasado, acostumbran exigir al fabricante de calderas, el que tenga siempre como mínimo una superficie de transferencia de calor, en el cuerpo de presión de la caldera, de 5 piés² por cada caballo caldera vendido. De esta forma aseguran, un mínimo de área de transferencia de calor instalada, que les brinde una larga vida útil, seguridad y confiabilidad en su operación a través de los años, en base a una MENOR FATIGA en el material y con una mayor LIBERACIÓN DE FLAMA. A su vez, este requerimiento mínimo de área de transferencia de calor, ayuda en forma automática a una mejor comparación y evaluación de calderas. 

Obviamente, una caldera con una menor área de transferencia de calor, tendrá un costo menor, una fatiga de material mayor, podrá ser eficiente, pero no tendrá la misma larga vida útil y la confiabilidad y seguridad. (Los fabricantes europeos, asiáticos y algunos norteamericanos, con una mano de obra sumamente alta y costosa, no pueden competir en este mercado, si instalan los 5 piés²/HP).

Coeficiente de fatiga de calor y liberación de flama.

El Método de Evaluación:Conociendo el área de transferencia de calor (lado fuego) del hogar (en m²) y conociendo el volumen del hogar de la flama (en m³), podemos calcular el coeficiente de fatiga por calor Kcal/hm²) y el coeficiente de liberación de la flama en el hogar (Kcal/hm³). Entre menores sean éstos coeficientes, menor será la fatiga del material en el tiempo, mayor será el reparto de absorción de calor o transferencia de calor y por ende, mayor será la vida útil de la caldera, mayor será su confiabilidad de operación, mayor será su eficiencia natural, y tendremos mayores posibilidades de obtener emisiones ecológicas a la atmósfera. 

Vida útil de la caldera.

Uno de los factores más relevantes en la evaluación para poder seleccionar una caldera, es sin duda y tal vez el más importante, la vida útil esperada de dicha caldera.

La vida útil de una caldera de tubos de humo, diseñada y fabricada con estricto apego al código ASME, de ser posible estampada, con un área de transferencia de calor de 5 piés²/C.C. y con coeficientes aceptables de fatiga y liberación de flama, sin la necesidad de un estricto y costoso tratamiento de agua, llega a ser fácilmente de hasta 20 años.

En lo que respecta a la caldera de tubos de agua, se puede afirmar que una caldera de tubos de agua, de dos domos con circulación natural, que cuente con un amplio hogar, fabricada con estricto apego al código ASME, de ser posible estampada, con un área de transferencia de 5 piés²/C.C. y con aceptables coeficientes de fatiga y liberación de flama pero con la necesidad estricta, de un muy buen tratamiento de aguas costoso, llega a ser fácilmente de hasta 20 años.

Obviamente calderas fabricadas con un área menor a los 5 piés²/C.C., tienen una vida útil esperada mucho menor. Calderas de tubos de agua del tipo serpentín, que no cuentan con área de 5 piés²/C.C., con un hogar restringido o calderas de tubos de agua sin hogar de flama, donde la flama choca directamente contra los tubos para agua, aumentando su fatiga de material en forma exponencial, tienen una vida sumamente limitada, que normalmente

empieza a dar problemas a partir del tercer año y requieren de costosas reparaciones como cambios de serpentín o cambios de tubos expuestos directamente a la flama, sumamente costosos a partir de su tercer año de operación.

CALCULOS Y RESULTADOS

Datos:

TBS 18ºCTBH 16ºC

tiempo (cm) (cm) T ( C)2´36’’76 18.5 16.5 522’38’’07 2.01 18 462’41’’59 18 16.1 422’39’’ 16.8 41.6 40

Presion Bomba (PSI) T (C) Presion caldero (PSI)0 260 8698 260 85100 260 86100 260 87100 260 88100 261 88100 261 89102 265 90

102.5 263 91102 262 90

ANALISIS ORSAT

Gases V(ml)11.70.40

Cálculo del flujo de agua y combustible

Sabemos que:……………(1)

Donde:: densidad del fluido: caudal del fluido

Para el agua:

Calculamos el caudal:Tomamos altura inicial 18cmTomamos altura final 16cm

Para el combustible:

Análisis de los gases de escape

Datos obtenidos en el ORSAT

Gases (%)11.70.40

N 87.9

Considerando combustión incompleta

c=11.7d=0e=0.4f=87.9

Considerando composición volumétrica del aireNitrógeno: 79%Oxigeno: 20.99%

Por tanto:

b/a = 79/20.99 = 3.76

Efectuando el balance de la ecuación de combustión :

C: x=c+dH: y=2gO: 2a=2c+2e+d+g

X= 11.7a=23.38g=22.56y=45.12

Operando:

= 17.29 Lbs aire/Lbs combustible

Ecuación Teórica:

b=7d=7.5a=10.75

Porcentaje de exceso de aire:

=16.04%

Calor útil (Q1)

A la salida:PV = 86 PSI =592.949 KPahg=2756.8 KJ/Kg (tabla)

Al ingreso T=21C:h1=88.126 KJ/Kg

Calor perdido en los gases de escape (Q2):

Considerando los productos de la combustión:

%CO2 + %CO + %O2 + %H2O + %N2

Gases de dichos productos: mg

mg = 44(%CO2) + 28(%CO) + 28(%N2) + 32(%O2)

Asimismo la composición del combustible es:

C = 12(%CO2 + %CO)

C: 85%; H: 15%

=18.177=(18.177)(0.24)(260-18)=1055.75KJ/Kg

Calor perdido por evaporación del agua (Q3):

Q3 = 9H [(212-TC) + 970.3 + 0.46(Tg -212) ] BTU/lb-combDonde:

H : % en peso de H (0.15)212-Tc : elevación de la temperatura del agua hasta 212ºF(100ºC)970.3 : calor latente de evaporación (hfg).0.46(Tg-212) : elevación de la TH2O hasta Tgases.

Q3 = 9 x 0.15[(212- TC) + 970.3 + 0.46(Tg -212)]

Calor perdido por evaporación de humedad superficial del combustible (Q4):

Q4 = W (212-Tc) + 970.3 + 0.46 (Tg -212)

W: cantidad humedad / lb de combustibleQ4 solo es significativo en combustible sólido

Calor perdido en combustión incompleta (Q5 ) :Teniendo en cuenta las siguientes reacciones:

REACCIÓNCalor de combustión

(BTU/lbs comb)2C + O2 2CO 3960C + O2 CO2 14150

Como en nuestro analisis ORSAT el porcentaje de Co es 0, entonces

Calor perdido por carbón no consumido CENIZAS

Wa = peso de ceniza por unidad de tiempomc = peso de combustible quemado por unidad de tiempoCa = Peso de combustible en cenizas asumido como carbono.

Q6 = 0

Calor perdido al calentamiento de la humedad del aire ambiental (Q7) :

Q7 = M. Cpv (Tg-TBS)

: (vapor agua ambiental presente / lbscomb) M=0.02*17.29

Q7=

Calor perdido por convección, radiación y otros (Q8):

Cálculo del HP de caldera (HPc ) :

HP

=33.79

Cálculo del factor de evaporación (fe) :

=0.5219

RESUMEN:

BALANCE TERMICOQT Q1 Q2 Q3

KJ/Kg KJ/Kg % KJ/Kg % KJ/Kg %

135012.19 93011.06 68.89 1055.72 0.78 3770.56 2.79

Q5 Q7 Q8

KJ/Kg % KJ/Kg % KJ/Kg %

0 0 162.45 0.12 37012.4 27.41

Eficiencia del generador

OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

Debido a que no conocemos algunos datos sobre el combustible Residual 6, lo consideramos con datos del Diesel 2

Al usar el caldero, este se encontraba averiado, es por ello que algunos resultados nos a salido fuera de lugar.

De igual manera, al recibir los datos del analisis del ORSAT, no nos dieron porcentaje de nitrógeno, es por eso que para que obtengamos algunos resultados tuvimos que asumir un valor, pero no cualquier valor, sino unos que se aproxima a un valor usualmente se obtiene en este tipo de análisis.

El porcentaje de CO nos salio cero, algo muy inusual, ello nos hace pensar que el analizador Orsay estaba defectuoso.

Esperemos que para los siguientes experiencias los implementos del laboratorio estén ya en buen uso, porque ello nos pone un limite para no poder alcanzar los resultados óptimos.

La eficiencia nos salio mas del 100%, pero ello viene de los datos obtenidos.

El tanque donde se almacena le agua no se llena ni a la mitad de su capacidad, algo debe estar defectuoso

Q absorvido por los gases ( 0.78%)

Q absorvido por agua en formación ( 2.79 %)

Q absorvido por comb. Imcompleta ( 0 %)

Q absorvido por ambiente ( 0.12 %)

Q perdido por radiación y otros ( 27.45%)

calor absorbido por el generador de vapor

(68.89 %)

calor suministrado por el combustible

(100 %)

CONCLUSIONES

Se debe dar gran importancia a las perdidas por radiación y otros, ya que estas son de magnitud considerable, alrededor del 27%

Debemos tener en cuenta que parte del calor que entrega el caldero se utiliza para el precalentamiento del combustible y el agua tratada

Existe una resaltante entre la caldera pirotubular, usada en la experiencia, y la caldera acuatubular, es que para usar esta ultima para utilizar el agua esta debe ser cuidadosamente tratada, digamos utilizando carbon activado y otra serie de fiultros para eliminar las sales disueltas.

ANEXOS

FALLAS EN LAS CALDERAS

En toda planta o industria que consuma vapor de agua, existe la presencia de un caldero, ya sea un caldero pirotubular o acuotubular. Y al existir un caldero, siempre hay las posibilidades de fallas, es por eso que relato algunas de las fallas típicas que ocurren en ellos:

Fallas en el arranque.-

Características: El quemador y el ventilador no arrancan (Hay enclavamiento eléctrico en las calderas moduladas).

Posibles causas: Bajo nivel de agua, falla del sistema de energía eléctrica, interruptor manual defectuoso en posición off, control de operación o controles de carácter limite defectuosos o descalibrados, voltajes demasiado altos o bajos, control principal de combustión apagado o defectuoso, fusibles defectuosos en el gabinete de la caldera, térmicos del motor del ventilador o del motor del compresor que saltan, contactos o arrancadores eléctricos defectuosos, motores del compresor y/o ventilador defectuosos, mecanismos de modulación de fuego alto y bajo no se encuentran en la posición adecuado de bajo fuego y fallo en el fluido eléctrico.

Fallas en el encendido.-

Características: Ventilador y Quemador arrancan pero no hay llama principal

a) No hay ignición

Posible causa: Falla de chispa, hay chispa pero no hay llama piloto, válvula solenoide a gas defectuosa, interruptor bajo fuego abierto.

b) Hay llama piloto, pero no hay llama principal

Posibles causas: Llama piloto inadecuada, falla en el sistema de detección de llama, falla en el suministro principal de combustible, programador ineficaz.

c) Hay llama de bajo fuego, pero no de alto fuego.

Posibles causas: Baja temperatura de combustible, presión inadecuadas de la bomba, motor modutrol deficiente, Articulación suelta o pegada

d) Falla de llama principal durante el arranque

Posibles causas: Ajuste defectuoso de aire combustible, control de combustión o programador defectuoso.

e) Falla de llama durante la operación

Posibles causas: Combustible pobre e inadecuado, fotocelda deficiente, circuito limite abierto, interruptor automático no funciona correctamente, motores ocasionan sobrecargas, control de combustión o programador defectuosos, calibración de quemador incorrecta, dispositivos de interconexión defectuosos o ineficaces, condiciones de bajo nivel de agua, falla en el suministro de energía eléctrica, proporción aire combustible

f) No funciona el motor modutrol

Características: No hay movimiento del modulador (modutrol) a las palancas que regulan el damper.

Posibles causas: Interruptor alto y bajo fuego en posición inadecuada, sistema de palancas pegadas, motor no se mueve a lato fuego durante la prepurga porque están sucios o abiertos los contactos del control de combustión, modutrol no va a bajo fuego porque los contactos no se abren, el motor es ineficaz (conexión eléctrica suelta, transformador del motor esta defectuoso).

Fallas en los materiales.-

a) Por corrosión

Proceso de acción erosiva ejercida sobre la superficie interna de la caldera por la acción mecánica de materiales sólidos, abrasivos, transportados por el agua o los gases en circulación. La corrosión también se presenta por oxidación.

CORROSIÓN EN CALDEROS

b) Por Sobrecalentamiento

Cuando los materiales de fabricación de la caldera son expuestos a altas temperaturas se presentan fallas de diferentes tipos dependiendo de las causas que la generan.

c) Soldadura y construcción

El conjunto de partes soldadas no debe ser poroso ni tener inclusiones no metálicas significativas, debe formar contornos superficiales que fluyan suavemente con la sección que se está uniendo y no tener esfuerzos residuales significativos por el proceso de soldadura.

d) Implosión y explosión

Las explosiones en calderas suelen ocurrir cuando la presión a la que esta operando la caldera supera la presión para la cual fue diseñada. Generalmente esto ocurre cuando algunos de los sistemas de alarma o control están descalibrados, dañados o no funcionan.

Las implosiones en calderas ocurren generalmente cuando el flujo de agua de entrada para producir vapor no ingresa al equipo, ocasionando un sobrecalentamiento excesivo y el colapso del material.