Generador de Vapor

GENERADOR DE VAPOR

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFacultad de Ingeniera Mecnica

INFORME DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA IIGENERADOR DE VAPOR

ALUMNOS

:AGUADO MARTINEZ JULIO CESAR 932092E

GORKY PAMPAS JIMENEZ 900215D

PROFESOR

:ING. .

FECHA : 3-5-998

1999

GENERADOR DE VAPORI INTRODUCCION.-El gran impulso y auge tenido hasta la actualidad la utilizacin del vapor tanto en plantas trmicas y diferentes procesos industriales hacen de esta sustancia y por lgica consecuencia su unidad generadora un elemento importantsimo.

El desarrollo de los diferentes mtodos para generar vapor comenzaron por el ao de 1919 y desde entonces muchos han sido sus variaciones para hacer cada vez mas eficiente un generador de vapor.

El generador de vapor moderno est constituido por un conjunto integrado de diferentes componentes cuya finalidad es aprovechar lo mejor posible el calor brindado por su combustible para hacer posible la conversin del agua en vapor; elemento de primordial importancia en el campo industrial por sus mltiples aplicaciones.

II OBJETIVO.-

Realizar un balance trmico del generador de vapor; as como hacer un estudio de un perfomance considerando la importancia de este elemento en el sector Industrial y Plantas Generadoras de Energa Elctrica, teniendo en cuenta que del diagnostico dependen de las medidas a tomar con miras hacia un buen y eficiente funcionamiento de la unidad.

III FUNDAMENTO TEORICO.-DEFINICION.- Un generador de vapor es un elemento de transferencia de calor cuya finalidad es convertir el agua en vapor a una presin y temperatura previamente determinada; este cambio de estado es producido por el aprovechamiento del calor producto de una combustin; generalmente es un proceso a presin constante.

3.1 COMPONENTES.- Una unidad generadora de vapor consiste en :

1. Partes sometidas a presin.- las partes que trabajan a presin son:

La superficie de calefaccin

Tanques de almacenamiento para el agua y el vapor.

superficie de recalentamiento; en caso de que se desee salga el vapor recalentado.

2. Local Instalacin.- Es el lugar fsico donde se halla la unidad generadora de vapor.

3. Equipo de Combustin.- Son todos los elementos cuya funcin es generar la combustin necesaria en el cambio de estado del agua a vapor y entra los cuales podemos notar: Bomba de inyeccin; quemadores; Reguladores de flujo de combustible, etc.

4. Organos Auxiliares.- Son todos aquellos elementos que complementan la funcin de los componentes mencionados anteriormente; tales como sopladores de Hollin; desviadores de gases; bombas de agua; indicadores de nivel; termmetro; manmetros; vlvulas de seguridad; etc.

3.2 CLASIFICACION.- Se puede hacer una clasificacin de generadores de vapor de acuerdo a:

1). PRESION DE TRABAJO.- Que pueden ser:

De alta presin: Usados bsicamente en generacin de potencia; presin de trabajo arriba de 100 psi.

De baja presin: Usados bsicamente en procesos industriales pequeas plantas de generacin de potencia; presin de trabajo abajo de 100 psi.

2). POR POSICION DE GASES Y AGUA.-

Pirotubulares.- Los gases producto de la combustin van por el interior de los tubos; mientras que el agua por el exterior de stos.

Acuotubulares.- Los gases van por el exterior de los tubos por tanto el agua va por el interior de los tubos.

3). POR LA POSICIN DE LOS TUBOS.-

Verticales

Horizontales

Inclinados

4). POR LA FORMA DE LOS TUBOS.-

Rectos

Curvados

5). POR EL SERVICIO PRESTADO.-

Fijas

Porttiles

A continuacin mencionaremos algunas caractersticas principales de los generadores de vapor ms difundidos en nuestro medio.

3.3 GENERADOR DE VAPOR PIROTUBULAR.- Los gases de combustin fluyen por el interior de los tubos del caldero y por el exterior a stos se encuentra el agua; todo esto contenido en la carcaza. En este tipo de generadores de vapor presentan la ventaja de ocupar un espacio mnimo. La circulacin es simple; facilidad en cambio de tubos ya que generalmente son de la misma dimensin lo cual lo hace econmico en ese sentido; pero como detalles desfavorables podemos notar que estn limitados por su presin y capacidad; limitada eficiencia en cuanto a absorcin de calor ya que el rea expuesta a radiacin es pequea; su cmara de combustin es de dimensiones fijas lo que no permite cambio de combustible; presin mxima de 250 psi, poca capacidad de produccin de vapor hasta 12,000 lbs/h.

3.4 GENERADOR DE VAPOR ACUOTUBULAR.- El agua y el vapor esta contenida en los tubos; mientras que los gases se encuentran en el exterior de stos; todo esto contenido en el interior de una carcaza.

Entre las ventajas que ofrece este tipos de generadores de vapor podemos notar que trabajan con presiones arriba de 150 psi; capacidades por encima de 15,000 lbs/h; se puede aumentar su capacidad aumentando el nmero de tubos; el tambor no esta expuesto al calor radiante del fuego; proporciones de la cmara de combustin se pueden alterar segn los requerimientos del combustible; todas sus partes son accesibles a limpieza, inspeccin y reparacin; su diseo general permite eficiencias de operacin altas y se pueden llevar sobrecargas sin daar el generador de vapor; dentro de sus desventajas podemos notar acerca de su costo inicial es alto; dificultad en instalar un tubo entre 2 tambores.

En este tipo de generadores los hay de:

Tubos Rectos: Todos los tubos son de igual longitud;

Tubos Doblados: Son ms baratos; acceso a tubos es un poco difcil; ms amplitud de tabiques de flectores de gases calientes.

IV ALGUNOS CONCEPTOS BASICOS DE SINGULAR IMPORTANCIA.-

CABALLO DE CALDERA.- Cantidad de vapor capaz de dar a un motor de vapor un caballo de fuerza este patrn hipottico es de de 15.623 Kg de vapor generado de y a 100C : 15.633 Kg x 538.92 cal = 8435.7 cal; en la actualidad se emplea 8437 cal siendo

h kg

h

h

necesario aclarar que hfg 10024C = 538.92 cal y donde se considerado necesario para kg generar este caballo de caldero una superficie de calefaccin de 0.029 m2.

RATING.- Relacin entre HP de caldera desarrollado y HP de caldera de rgimen; donde HP desarrollado es la relacin entre calor ganado por el agua y cantidad de calor para producir un HP de calderas ( Q1/8437) y HP de rgimen es la relacin entre el rea de calefaccin del caldero y el rea de calefaccin par producir un HP de caldera (Scalefaccion/0.929) se expresa en %.

FACTOR DE EVAPORACION.- (fe) es la relacin entre el cambio de entalpia que tiene el agua en el caldero y el cambio de entalpia necesario para producir un HP de (538.02 cal/Kg).

EVAPORACION EQUIVALENTE.- Es definida como el producto del factor equivalente por la cantidad de vapor generado.

por tanto:

EFICIENCIA TERMICA.- Es la capacidad para transmitir el calor producido al agua

Donde : Mc = Masa Combustible

Pc = Poder Calorfico del combustible

V PRINCIPALES ELEMENTOS COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR.-

EQUIPO DE COMBUSTION.- Bsicamente compuesto por tanque de combustible; bomba de inyeccin; quemadores; pulverizadores en caso de usar combustibles slidos; etc. Su funcin es crear las condiciones adecuadas y proporciones correctas para poder llevarse a cabo una mejor combustin; adems debe ser capaz de regular eficientemente la cantidad de combustible de quemar ya que los generadores de vapor generalmente trabajan a cargas variables; las ignicin debe ser continua y segura del combustible; as mismo es de singular importancia en una adecuada seleccin del equipo de combustin que la llama no llegue directamente a los tubos.

PURIFICADORES DE VAPOR.- Su funcin es permitir obtener vapor de una buena calidad y pureza; considerando la calidad como la medida de cantidad de humedad arrastrada por el vapor y pureza ausencia de materias slidas disueltas se mide en partes por milln (PPm) de materias extraas en el vapor por peso; esto tiene primordial importancia en el uso de vapor de alta presin.

Se puede obtener vapor limpio por:

1. Separacin previa del vapor el agua

2. Lavado del vapor con agua fresca y relativamente limpia del agua de alimentacin.

3. Remocin de la humedad con n secador de vapor.

TRATAMIENTO DEL AGUA DE ALIMENTACION.- Todas las aguas naturales son duras considerando que contienen sales; gases; etc. disueltas y materias inorgnicas por tanto contienen sustancias que se depositan en forma de lodo, etc. produciendo:

Inscrustaciones

Puntos calientes

Disminucin de seccin de los tubos

Prdidas por Rozamiento

Circulacin defectuosa; etc.

VI. CAUSAS QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DEL GENERADOR DE VAPOR6.1 DEMASIADAS PERDIDAS EN GASES DE ESCAPE.-Como posibles causas de estas efectos podemos citar que la superficie de calentamiento se encuentren sucias, cuya causa podra ser un anormal funcionamiento de los sopladores de Hollin.

Presencias de incrustaciones para lo cual cabe hacer una revisin de la planta de tratamiento de agua.

Demasiados exceso de aire; para lo cual es necesario el uso de un analizador de gases y chequeo el exceso de aire en la combustin.

Deflector inefectivas, teniendo en cuenta que estos elementos son los que dirigen el flujo de gases, es necesario que estos incidan en la superficie que se desea calentar, de lo contrario no estaran cumpliendo su cometido

6.2 PERDIDAS POR NO HABERSE EFECTUADO UNA ADECUADA COMBUSTION.-Como posibles causas de esta prdida podemos anotar que podra haber aire insuficiente que no permite el quemado de todo el carbono presente en el hidrocarburo.

Falta de turbulencia que no permite una buena mezcla de aire - combustible.

6.3 PERDIDAS POR CONVECCIN.-Que como posible causas podra ser insuficiencia de aislante, mal estado de los refractarios etc.

VII. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA SELECCIN DE UN GENERADOR DE VAPOR.- Capacidad

Presin

Temperatura

Clase de vapor

Tamao del generador

Tipo de combustible

Tipo de combustible

Repuestos y servicios

VIII. PROCEDIMIENTO A SEGUIR Verificar nivel de agua en tanques de depsito

Verificar nivel de combustible en su tanque de depsito

Verificar nivel de agua en el interior del caldero.

Purga Mecnica del generador con Vlvula ubicada en la parte inferior - posterior.

Accionar interruptor de arranque en tablero de controles.

Esperar que el caldero alcance rgimen de funcionamiento.

8.1 DATOS A OBTENER Temperatura bulbo seco ambientes: TBS

Temperatura bulbo hmedo ambiente: THH

Temperatura agua de alimentacin L: Ta

Temperatura de gases de escape : Tg

Presin de salida del vapor : Py

Desnivel en tanque de combustible : Khc

Diferencia de presin, temperatura de vapor que sale.

Tiempo en que suceden los desniveles de combustible : Tc

Con analizador ORZAT : % CO2

% CO

% O2

IX. CALCULOS Y RESULTADOS. -

1. Determinacin del flujo de vapor (mv) : por dato del laboratorio mv= 950 lbs/hora

2. Determinacin de mc :

Tipo de combustible petrleo D2.

= 35 cm = 13.78

Para plena carga :

1. t =1.14 min

= 10mm

2. t =1.18 min

= 10mm

3. t = 1.34 min

= 10mm

El caudal ser :

Q = V/t = (3.1416/4)*D^2*h/t

Q1= (3.1416/4)*0.35^2*0.01/1.14*60 = 1.41*10^-5 m3/s

Q1= (3.1416/4)*0.35^2*0.01/1.18*60 = 1.36*10^-5 m3/s

Q1= (3.1416/4)*0.35^2*0.01/1.34*60 = 1.20*10^-5 m3/s

Sacando el promedio:

Q = 1.32 *10^-5 m3/s

la densidad del petroleo D2:

EMBED Equation.2 c = 54.6 lbs/pie3Entonces el flujo msico ser:

mc =

c*Q = 54.6(lbs/pies3)*1.32*10-5 (m3/seg)*3600(seg/hora)*35.31(pie3/m3)

mc = 91.61 lbs/hora.

3. Anlisis de gases :

GASPLENA CARGA %MEDIA CARGA %

CO265.2

CO0.20.1

O24.64.2

N289.2

PARA PLENA CARGA CxHY + aO2 + bN2 cCO2 + dCO + eO2 + fN2 + gH2O

Del analizador :

c= 12 d= 0.4 e= 3.8 f= 23.8

Considerando:

Nitrogeno : 79%

Oxigeno : 20.99%

b/a = 79%/20.99% = 3.76

Balance de Ecuacin :

x= c+d x= 12+0.4 x= 12.4

2*a =2c+d+2e+g .(I)

b/a = 3.76 a= b/3.76 b= 89.2 a= 89.2/3.76

a = 23.72

g = 2*a- (2c+d+2e) = (2*23.72) - (2*12+0.4+2*3.8)

g= 15.44

y = 2*g = 2*15.44 Y= 30.88

Relacin Aire-Combustible :

ra/c=[32lbs/molO2*molesO2+28lbs/molN2*molesN2]/[12lbs/molC*molC+1lb/molH*molH]

Entonces:

ra/c= [(32*23.72)+(28*89.2)]/[(12*12.4)+(1*30.88)]

ra/c= 18.12 lbsaire/lbscomb

Determinacin de la relacin aire combustible Torica :

C7H15 + aO2 + 3.76aN2 bCO2 + cN2 + dN2 + dH2O

Realizando el balance:

b=7 d=7.5 15=cd

a= (2b+d)/2 = (2*7 + 7.5)/2 a = 10.75

2*a = 2b +d

ra/c= (32*10.75+3.76*10.75*28)/(12*7+15)

ra/c= 14.9 lbsaire/lbscombCalculo de exceso de aire :

% de Exceso de aire = ([(ra/c)real]/ [(ra/c)teorico])*100 - 100

% de Exceso de aire = (18.12/14.9)*100 - 100

% EXC AIRE = 21.61%

4. Clculo de calor til (Q1) :

Q1= (mv/mc)*(h

Q1= (mv/mc)*(h2-h1)

90 PSI

1 2

h2 = 2758,1 KJ/kg = 1188.26 BTU/lbs T2 = 160 C

h1 = 75.56 KJ/kg = 32.55 BTU/lbs T1 = 18 C

Q1 = (950 lbs/hora)/(91.61lbs/hora)* (1188.26-32.55)BTU/lbs

Q1 = 1.1984*104 BTU/lbs de comb

5. Calor perdido en los gases de escape:

Q2 = mg*Cpg*(Tg - TBS)

Considerando los productos de la combustin:

%CO2 + %CO + %O2 + %H2O + %N2gases de dichos productos : mg

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

mg = 16(%CO2) + 4(%O2) +2800 lbs de gases

Asi mismo :

C = 12(%CO2 + %CO) lbs de C

Composicin del combustible es:

mg = ([16(%CO2)+4(%O2)+2800lbs gases]/[12(%CO2+%CO)lbs de C])*0.85lbsC/lbscomb

mg = ([4(%CO2) + X(%CO2) + 700]/[3(%CO2+%CO)])*0.85lbsgases/lbs comb

Reemplazando datos:

mg = [4(6) + 4.6 + 700)/(3(6+0.2)]*0.85

mg = 33.296 lbs gases/lbs de comb

Q2 = (33.296lbs gases/lbs comb)*(0.24BTU/lbs*F)*(680-64)F

Q2 = 4922.5 BTU/lbs comb

6. Calor perdido por evaporacin del agua (Q3) :

Q3 = 9H[1*(212-TC) + 970.3 + 0.46(Tg-212) ] BTU/lbs-comb

H: % en peso de H (0.15)

1*(212-Tc) : elevacin de la temperatura del agua hasta 100C

970.3 : calor latente de evaporacin.

0.46(Tg-212) : elevacin de la temperatura del agua hasta temp de gases.

Q3 : 9*0.15[1*(212-64) + 970.3 + 0.46(680-212)] BTU/lbs-comb

Q3 : 1800.33 BTU/lbs comb

7. Calor perdido por evaporacin de humedad superficial del combustible (Q4) :

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

W: cantidad humedad / lb de combustible

Q4 solo es significativo en combustible solido.

Q4 = 08. Calor perdido en combustin incompleta (Q6 ) :

Teniendo en cuenta las siguientes reacciones :

REACCINCalor de combustin (BTU/lbs comb)

2C + O2 2CO3960

C + O2 CO214150

Q6 = [(%CO)/(%CO2+%CO)]* [14150 - 3960]*0.85BTU/lbs comb

Q6 = [(0.2)/(6+0.2)]*0.85*(14150-3960)


9. Calor perdido por carbn no consumido CENIZAS

Q7 = 14150*(Wa/mc)*Ca

Wa = peso de ceniza por unidad de tiempo

mc = peso de combustible quemado por unidad de tiempo

Ca = Peso de combustible en cenizas consumido como carbono.

Entonces :

Q7 = 0 ; El combustible no es lquido.

10. Calor perdido al calentamiento de la humedad del aire ambiental (Q8) :

Q8 = M *Cpv*(Tg-TBS) BTU/lbs comb

M = vapor agua ambiental presente / lbs comb

M = (Wlbs.humedad/lbs aire)*(ra/c lbs aire/lbs comb)

para W= 0.02 lbs vaporde agua/lbs de aire

M= 0.2*18.12

M= 0.3624 lbs vapor de agua/lbs comb

CpV = 0.46 BTU/lb F

Entonces :

Q8 = 0.3624*0.46(680-64)


11. Calor perdido por conveccin , radiacin y otros (Q9) :

Q9= QT - (Qi i=1

12. Clculo del HP de caldera (HPc ) :

Teniendo en cuenta que esta definicin es de carcter hipotetico definida como una masa de vapor de 15.6 Kg/h, 34.5 lbs/h desde 2 hasta 100C (2121F) cuyo valor latente de vaporizacin 538.9 Kcal/Kg (970.3 BTU/lbs) permite obtener una cantidad de calor de 8437 Kcal/h (33500BTU/h) con una superficie de calentamiento de 0.929 m2 (10 pies2) el cual en una mquina produce 1HP.

Cabe hacer nencin que estas definiciones nacieron cuando los generadores de vapor eran solamente simples recipientes hervidores de agua, y solamente sirven para fines de comparacin entre los diferentes generadores de vapor excistentes.

HPc = [(1.196*104BTU/lb comb)*(91.2 lb comb/h)]/33500BTU/hora-HP

HPc = 32.5

13. Clculo del factor de evaporacin (fe) :

fe = (h2-h1)/(h 1HP caldero

fe = [(1188.26 - 32.55) BTU/lb]/[(970.3)BTU/lb]

fe = 1.191

Donde :

QT = poder calorfico del combustible / lb = 19300 BTU/lb comb

Q9 = 19300 - 19089

Q9 = 211 BTU/lb comb

Representacin grfica del balance trmico :

calor absorbido por Q absorvido por los gases (25,5%)

el generador de vapor Q absorvido por agua en formacin (9.3%)

(62%) Q absorvido por comb. Imcompleta (1.45%)

Q absorvido por ambiente (0.53%)

calor suministrado por Q perdido por radiacin y otros (1.22%)

el combustible (100%)

14. Evaporacin equivalente :

Ee = fe* mv entonces Ee = 1.911*950 lbs vapor/hora

Ee = 1131.45 lbs de vapor equiv/hora

15. Produccin de caldero (Pv) :

Pv = Ee/mc entonces Pv = (1131.45lbs vapor equiv/hora)/(91.61 lbs comb/hora)

Pv = 12.35 lbs vapor equiv/lbs comb

16. Rating (% R)

%R = [(Q1/33500)BTU/h-HP]/[(Sc/10)pie2/HP]

Q1 = calor ganado por el agua

Sc = Superficie de calentamiento del generador de vapor

% R = [950(1188.26-32.55)BTU/hora*10pie2/HP]/[200pie2*33500BTU/h*HP]

%R = 1.6317. Eficiencia del generador (n) :

n = Q1/Pc = 11984/19300

n = 62%

PARA MEDIA CARGA 1. t =1.41 min

= 11mm

2. t =1.38 min

= 13mm

3. t = 1.34 min

= 12mm

El caudal ser :

Q = V/t = (3.1416/4)*D^2*h/t

Q1= (3.1416/4)*0.35^2*0.011/1.41*60 = 1.25*10^-5 m3/s

Q1= (3.1416/4)*0.35^2*0.013/1.38*60 = 1.51*10^-5 m3/s

Q1= (3.1416/4)*0.35^2*0.012/1.34*60 = 1.43*10^-5 m3/s

Sacando el promedio:

Q = 1.39 *10^-5 m3/s

la densidad del petroleo D2:

EMBED Equation.2 c = 54.6 lbs/pie3Entonces el flujo msico ser:

mc =

c*Q = 54.6(lbs/pies3)*1.39*10-5 (m3/seg)*3600(seg/hora)*35.31(pie3/m3)

mc = 96.47 lbs/hora.

4. Q1 = 950*(1188.26 - 32.55)/96.47

Q1 = 11380

5. mg = [4(5.2)+4.2+700]/3(5.2+0.1)]*0.85

mg = 38.76

Q2 = 38.76*0.24*(680-64)

Q2 = 5730.3

los pasos 6 y 7 son anlogos al anterior

8. Q6 = [0.1/(5.2+0.1)]*0.85*(14150-39609)

Q6 = 163.43

Los pasos 9 , 10 , 11 , 12 son anlogos a lo anterior

13. fe = 1.191

donde :

Q9 = 19300 -19176.75

Q9 = 123.25:

Representacin grfica del balance trmico :

calor absorbido por Q absorvido por los gases (29,7%)

el generador de vapor Q absorvido por agua en formacin (9.3%)

(59%) Q absorvido por comb. Imcompleta (0.85%)

Q absorvido por ambiente (0.53%)

calor suministrado por Q perdido por radiacin y otros (0.64%)

el combustible (100%)

El paso 14 es anaogo al anterior

15. Pv = 1131.45/96.47

Pv = 11.73

%R = [950(1188.26-32.55)]/[200*33500]

%R = 1.63

17. n =11380/19300 = 0.5896

n = 58.96 %

CONCLUCIONES

Como podemos observar en los resultados de la experiencia se observ que el flujo msico a plena carga (1.32*10-5 m3/seg ) es menor que el flujo a media carga (1.39*10-5 m3/seg) , esto debido a que se quema ms combustible a media carga es decir se d una mezcla ms rica durante la media carga.

Tambin se puede observar en el anlisis ORSAT el porcentaje de oxigeno a plena carga (4,6) es mayor que el porcentaje de oxigeno a media carga (5.2) , esto comprueba que a plena carga se quema menos combustible entonces hay mayor porcentaje de aire en los gases de escape de igual manera se comprueba a media carga.

Respecto a las eficiencias la eficiencia que obtuvimos a plena carga fue de 62%,

mientras que a media carga fu de 58.96% , esta diferencia es debido a que si vara el flujo de combustible varan los dems calores y esto varia en los cluclos finales de la eficiencia como se observa en los clculo los porcentajes de calor en la representacin grfica del balance trmico .

Bibliografa :

Manual de Laboratorio de ingeniera mecnica II FIM

Termodinmica aplicada Jaime Postigo - Jaime F. Cruz Termodinamica I Serie Habich.(er

h

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Generador de Vapor

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