LABORATORIO N° 03 (Generador de Vapor)

RESUMEN

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 continúa

en el nuestro.

Marmita de Papin

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.

Caldera multi humotubular

2

INDICE

RESUMEN...................................................................................................................2

INDICE.........................................................................................................................4

HOJA DE DATOS EXPERIMENTALES......................................................................5

1.- INTRODUCCION....................................................................................................6

1.1 Objetivos.............................................................................................................6

1.2 Fundamento Teórico...........................................................................................6

2.- PROCEDIMIENTO...............................................................................................18

2.1 Equipos y Materiales.........................................................................................18

2.2 Procedimiento de Ensayo.................................................................................19

3.- CALCULOS Y RESULTADOS.............................................................................25

3.1 Tablas de Datos ...............................................................................................25

3.2 Calculos.............................................................................................................26

3.3 Resultados........................................................................................................35

OBSERVACIONES...................................................................................................36

CONCLUSIONES......................................................................................................37

RECOMENDACIONESS...........................................................................................38

BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................39

3

1. INTRODUCCION

1.1. OBJETIVOS

Realizar un balance térmico del generador de vapor; estudio de su

performance considerando la importancia de este en el Sector Industrial y

Plantas Generadoras de Energía Eléctrica, teniendo en cuenta que del

diagnostico dependen las medidas a tomar con miras hacia un bien y

eficiente funcionamiento de la unidad.

1.2. FUNDAMENTO TEORICO

GENERADOR DE VAPOR

CALDERA: Recipiente metálico en el que se genera vapor a presión

mediante la acción de calor.

GENERADOR DE VAPOR: Es el conjunto o sistema formado por una

caldera y sus accesorios, destinados a transformar un líquido en vapor, a

temperatura y presión diferente al de la atmósfera.

MANOMETRO: El instrumento destinado a medir la presión efectiva

producida por el vapor en el interior de la caldera.

4

FUNCIONAMIENTO

Funcionan mediante la transferencia de calor, producida generalmente al

quemarse un combustible, al agua contenida o circulando dentro de un

recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:

Zona de liberación de calor o cámara de combustión: Es el lugar donde

se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al

recipiente metálico.

Interior: La cámara de combustión se encuentra dentro del recipiente

metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua.

Exterior: La cámara de combustión constituida fuera del recipiente

metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua.

La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por

radiación (llama-agua).

Zona de tubos: Es la zona donde los productos de la combustión (gases o

humos) transfieren calor al agua principalmente por convección (gases-

aguas). Está constituida por tubos, dentro de los cuales pueden circular los

humos o el agua.

ACCESORIOS PARA EL FUNCIONAMIENTO SEGURO

5

Las calderas deben poseer una serie de accesorios que permitan su utilización

en forma segura, los que son:

Accesorios de observación: dos indicadores de nivel de agua y uno o más

manómetros. En el caso de los manómetros estos deberán indicar con una

línea roja indeleble la presión máxima de la caldera.

Accesorios de seguridad: válvula de seguridad, sistema de alarma, sellos

o puertas de alivio de sobre presión en el hogar y tapón fusible (en algunos

casos). El sistema de alarma, acústica o visual, se debe activar cuando el

nivel de agua llegue al mínimo, y además deberá detener el sistema de

combustión.

PARTES PRINCIPALES DE LA CALDERAS DE VAPOR

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

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 150L 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.

6

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, las calderas 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.

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.

CLASIFICACIONES

Existen varias formas de clasificación de calderas, entre las que se pueden

señalar:

7

1. Según la presión de trabajo:

Baja presión: de 0 - 2.5 Kg./cm2

Media presión: de 2.5 - 10 Kg./cm2

Alta presión: de 10 - 220 Kg./cm2

Supercríticas: más de 220 Kg./cm2.

2. Según se generación:

De agua caliente

De vapor: -saturado (húmedo o seco)

Recalentado.

3. Según la circulación de agua dentro de la caldera:

Circulación natural: el agua se mueve por efecto térmico

Circulación forzada: el agua se hace circular mediante bombas.

4. Según la circulación del agua y los gases calientes en la zona de tubos

de las calderas:

Pirotubulares o de tubos de humo: En estas caderas los humos pasan

por dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea.

Acuotubulares o de tubos de agua: El agua circula por dentro de los

tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior.

Permiten generar grandes cantidades de vapor sobrecalentado a alta

presión y alta temperatura, se usa en plantas térmicas para generar

potencia mediante turbinas.

Características Principales de las Calderas Pirotubulares

Básicamente son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de forma

cilíndrica o semicilíndrica, atravesados por grupos de tubos por cuyo

interior circulan los gases de combustión.

Por problemas de resistencia de materiales, su tamaño es limitado. Sus

dimensiones alcanzan a 5 mts de diámetro y 10 mts. de largo. Se

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

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

8

Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso se les

instala un estanque de expansión que permite absorber las dilataciones

de agua. En el caso de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 cm.

sobre los tubos superiores.

Entre sus características se pueden mencionar:

Sencillez de construcción.

Facilidad de inspección, reparación y limpieza.

Gran peso.

Lenta puesta en marcha.

Gran peligro en caso de explosión o ruptura debido al gran volumen de

agua almacenada.

Características Principales de las Calderas Acuotubulares

Se componen por uno o más cilindros que almacenan el agua y vapor

(colectores) unidos por tubos de pequeño diámetro por cuyo interior

circula el agua.

Estas calderas son apropiadas cuando el requerimiento de vapor, en

cantidad y calidad son altos.

Se construyen para capacidades mayores a 5.000 Kg./h de vapor (5

ton/h) con valores máximos en la actualidad de 2.000 ton/h. Permiten

9

obtener vapor a temperaturas del orden de 550º C y presiones de

200kg/cm2 o más.

PARTES PRINCIPALES QUE COMPONEN UNA CALDERA

1. Hogar: Fogón o caja de fuego y corresponde a la parte en que se quema el

combustible. Se divide en puerta del hogar y cenicero. Las calderas pueden

instalarse con Hogares para combustibles sólidos, líquidos o gaseosos, todo

dependerá del proyecto del equipo y de la selección del combustible a

utilizar.

2. Emparrillado: Tiene por objeto servir de sostén al lecho de combustible y

permitir el paso del aire para la combustión.

3. Altar: Es un muro de ladrillo refractario que descanse en una estructura

metálica que va a continuación de la parrilla.

4. Conductos de Humo: Es aquella parte de la caldera por donde circulan los

humos o los gases calientes que se han producido en la combustión.

5. Cajas de Humo: Corresponde al espacio de la caldera que desempeña la

función de caja colectora de los humos después de haber pasado por todos

los conductos antes de salir por la chimenea.

6. Chimenea: Sirve para dar la salida a los gases de la combustión, los cuales

deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios y

molestias al vecindario. También para producir el tiro necesario para que la

combustión se efectuara en buenas condiciones y en modo continúo.

10

7. Mampostería: Construcción de ladrillo refractarios y ladrillos comunes que

tienen como objeto cubrir la caldera para evitar desprendimiento de calor al

exterior.

8. Cámara de Agua: Volumen de la caldera que está ocupada por el agua y

tiene como límite inferior un cierto nivel mínimo, del que no debe descender

nunca el agua durante su funcionamiento.

9. Cámara de Vapor: Es aquella parte de la caldera que queda sobre el nivel

superior del agua (volumen ocupado por el vapor considerando el nivel

máximo admisible de agua).

10. Cámara de Alimentación de Agua: Es el espacio comprendido entre los

niveles máximos y mínimos del agua.

11. Tapas de Registro de Inspección o Lavado: Tapas que tienen por objeto

permitir inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas si es

necesario para extraer, en forma mecánica o manual, los lodos que se

hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas.

12. Puertas de Hombre: Puertas cuya tamaño es suficiente para permitir el

paso de un hombre para inspeccionar interiormente una caldera y limpiarla

si es necesario (pueden tener una o más puertas de hombre según su

tamaño y del equipo)

RIESGOS DE UNA CALDERA:

1. Aumento Súbito de la Presión: Esto sucede generalmente cuando se

disminuye el consumo de vapor, o cuando se descuida el operador y hay

exceso de combustible en el hogar o cámara de combustión.

2. Descenso Rápido de la Presión: Se debe al descuido del operador en la

alimentación del fuego.

3. Descenso Excesivo del Nivel de Agua: Es la falla más grave que se puede

presentar. Si este nivel no ha descendido más allá del límite permitido y

visible , bastará con alimentar rápidamente, pero si el nivel ha bajado

demasiado y no es visible, en el tubo de nivel, deberá considerarse seca la

11

caldera y proceder a quitar el fuego, cerrar el consumo de vapor y dejarla

enfriar lentamente. Antes de encenderla nuevamente, se deberá

inspeccionarla en forma completa y detenida.

4. Explosiones: Las explosiones de las calderas son desastres de gravedad

extrema, que casi siempre ocasionan la muerte a cierto número de

personas. La caldera se rasga, se hace pedazos, para dar salida a una masa

de agua y vapor; los fragmentos de la caldera son arrojados a grandes

distancias.

Estos accidentes desgraciadamente frecuentes, han sido atribuidos durante

mucho tiempo a causas excepcionales y fuera del alcanza de la prevención,

es decir, se les ha considerado como caso de fuerza mayor.

El estudio de las causas de las explosiones he permitido determinar que

estas se deben a:

Construcción defectuosa

Falla de los accesorios de seguridad, válvula de seguridad que no habrán

oportunamente o no son capaces de evacuar todo vapor que la caldera

produce.

Negligencia, descuido o ignorancia del operador.

Mezcla explosiva en los conductos de humo.

Falta de agua en las calderas (la más frecuente )

Incrustaciones masivas o desprendimiento de planchones.

Cuando el nivel de agua baja, deja al descubierto las planchas, que estando

en contacto con el calor de la combustión se recalientan al rojo. Al

recalentarse estas pierden gran parte de su resistencia, el vapor se produce

en menor cantidad por la disminución de la superficie de calefacción.

Las incrustaciones actúan como aislante dejando las planchas de la caldera

sometidas a calor y sin contacto con el agua. De esta manera se van

12

recalentando y perdiendo su resistencia hasta que no son capaces de resistir

la presión y se produce la explosión.

MEDIDAS DE PREVENCION

Procedimiento de trabajo seguro en la manipulación y operación de calderas:

1. Los operadores de caldera solo podrán hacer abandono de la sala al término

de su turno. En caso de que alguno requiera ausentarse solo será con previo

aviso y autorización del jefe directo.

2. Los operadores deberán tener una observación permanente del

funcionamiento de las calderas. Para ello deberán ubicarse en tal posición

de no perder de vista los controles y elementos de observación, tales como

el nivel del agua y manómetro.

3. Deberán ser controlados permanentemente los siguientes elementos:

Chequear y observar el funcionamiento de las bombas de alimentación de

agua

Revisar el funcionamiento de quemadores, y estar atentos a cualquier

anomalía

Observar presión indicada en los manómetros, teniendo presente que en

ningún momento debe sobrepasar la presión máxima de trabajo.

Chequear la temperatura de los gases de combustión, así como también

la temperatura del agua de alimentación.

Estar atento a cualquier ruido u olor extraño a los normales.

4. Se le prohíbe estrictamente al operador dejar fuera de funcionamiento,

bloquear o deteriorar los sistemas de alarma y/o controles de nivel de agua

de las calderas.

5. Obligaciones del operador de turno:

Accionar válvulas de seguridad

Accionar gráficos de pruebas con el objeto de descartar los niveles de

agua falsos.

Purgar columna del control automático del agua.

13

Realizar análisis químico de alimentación y el agua de la caldera.

Mantener sala de calderas en perfectas condiciones de aseo y orden.

Dosificar productos químicos: Anticrustante, neutralizante y secuestrador

de oxígeno.

6. Eliminar cualquier ingreso de aire que no intervenga en la combustión y solo

contribuirá a diluir los contaminantes.

ACCESORIO DE SEGURIDAD:

Válvula de seguridad: Todas las calderas deben disponer de uno o más

válvulas de seguridad cuya finalidad es: dar salida al vapor de la caldera

cuando se sobrepasa la presión normal de trabajo, con lo cual se evitara

presiones excesivas en los generadores de vapor.

Tapón fusible: Consiste en un tapón de bronce, con hilo para ser atornillado

al caldero, y tienen un orificio cónico en el centro, en el cual se rellena con

una aleación metálica (plomo, estaño), cuyo punto de fusión debe ser de 250

º C como máximo.

Silbato de alarmas: Accesorios de seguridad que funcionan cuando el nivel

de agua en el interior de la caldera ha descendido más allá del nivel normal.

Consiste en un tubo metálico con el extremo inferior abierto y sumergido al

interior de la caldera, hasta el nivel mínimo admisible.

REVISIONES Y PRUEBAS DE CONDICIONES DE SEGURIDAD

Para verificar las condiciones de seguridad de los generadores de vapor, éstos

deberán ser sometidos a las siguientes revisiones y pruebas:

1. Revisión interna y externa: Para estas revisiones el propietario o usuario

de la caldera la preparará como sigue: Apagará sus fuegos, la dejará enfriar,

la drenará, la abrirá y la limpiará completamente incluso los conductos de

humo.

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2. Prueba hidráulica: La caldera se preparará para la prueba hidráulica en la

siguiente forma:

Se interrumpirán las conexiones a la caldera por medio de bridas ciegas

(flanches ciegos) u otros medios que interrumpan en forma completa y

segura todas las conexiones de vapor y agua, y que resistan la presión

hidráulica a que se someterán.

Se limpiará la cámara de combustión y se abrirán y se limpiarán los

conductos de humo, de modo que la estructura metálica de la caldera sea

accesible por todos sus lados

Se retirarán las válvulas de seguridad y se colocarán tapones o flanches

ciegos. En ningún caso se permitirá el aumento de la carga en la palanca

o un aumento en la presión sobre el resorte de la válvula.

Se llenará la caldera con agua hasta expulsar todo el aire de su interior,

mediante un tubo de ventilación.

Durante la prueba hidráulica se aplicará la presión en forma lenta y

progresiva aumentándola uniformemente, sin exceder el valor fijado para

la presión de prueba que debe resistir.

Enseguida, se revisará la caldera para comprobar la existencia o ausencia

de filtraciones o deformaciones en sus planchas.

Se considerará que la caldera ha resistido la prueba hidráulica en forma

satisfactoria cuando no haya filtración ni deformación de las planchas.

Posteriormente se bajará la presión también en forma lenta y uniforme.

3. Prueba con vapor: Después de cada prueba hidráulica se realizará una

prueba con vapor en la cual la válvula de seguridad se regulará a una

presión de abertura que no exceda más de 6% sobre la presión máxima de

trabajo de la caldera.

4. Prueba de acumulación: La prueba de acumulación se realizará con la

caldera funcionando a su máxima capacidad y con la válvula de consumo de

vapor cerrada. En estas condiciones la válvula de seguridad deberá ser

capaz de evacuar la totalidad del vapor sin sobrepasar en un 10% la presión

máxima de trabajo del generador de vapor.

15

5. Pruebas especiales: Sin perjuicio de las pruebas prescritas en los artículos

anteriores la autoridad sanitaria podrá solicitar que los generadores de vapor

sean sometidos a pruebas especiales no destructivas, con el objeto de

determinar calidad de planchas y soldaduras en calderas muy usadas o muy

antiguas o en aquellas en que se hayan producido deformaciones o

recalentamiento. 

SALA DE CALDERAS

El reglamento también define las características mínimas que debe poseer el

lugar donde se instala el generador de vapor o caldera:

Si el generador de vapor tiene una superficie de calefacción igual o superior

a 5 m2 y cuya presión de trabajo exceda a 2.5 Kg. /cm2, se instalará en un

recinto específico para su utilización.

Esta sala será de material incombustible y estará cubierta de techo liviano.

No podrá ubicarse la caldera sobre construcción destinada a habitación o

lugar de trabajo.

La distancia mínima entre la caldera y las paredes del recinto será de un

metro, esta misma distancia debe respetarse entre la caldera y cualquier otro

equipo o instalación.

Esta sala deberá tener dos puertas o más, en direcciones diferentes, éstas se

deben mantener en todo momento despejadas y deberán permanecer sin llave

mientras las calderas están funcionando.

2. PROCEDIMIENTO

2.1. EQUIPO Y MATERIALES

16

Caldera Pirotubular, Ray Burner CO. , 30

HP, 150 psi, 200 pies2, año 2006Analizador de gases

Manómetros Bourdon (0–200 psi) y

Termómetro (0–500 ºC) instalados en la

caldera.

Medidor de caudal

Un Cronómetro digital.

2.2. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO:

1. Verificar el Nivel de agua en el Tanque.

17

2. Verificar nivel de Combustible en su Tanque de depósito.

3. Verificar nivel de agua en el Interior del Caldero.

4. Purga Mecánica del Generador con Válvula ubicada en la – parte inferior

– posterior.

Nivel de Agua

18

5. Accionar interruptor de arranque en el tablero de controles

Valvula paraPurgar elCaldero

19

6. Esperar que el caldero alcance régimen de funcionamiento

7. Toma de los siguientes Datos

Temperatura del Agua a la entrada.

Presión de Combustible.

Termometro

20

Flujo de Combustible

21

Verificar el funcionamiento de la bomba, ver el manómetro cuando

sube la presión.

22

Presión en el interior del Caldero

Temperatura de los gases de escape.

23

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS

3.1. TABLA DE DATOS.

a) Temperatura del bulbo seco ambiente: TBS.

b) Temperatura del bulbo húmedo ambiente: TBH:

c) Temperatura agua de alimentación: Ta.

d) Temperatura del combustible: Tc.

e) Temperatura de gases de escape: Tg.

f) Presión de salida del vapor: Pv.

g) Desnivel en tanque de combustible.

h) Diferencia de presión. Temperatura del vapor que sale.

i) Tiempo en el que suceden los desniveles de combustible: tc.

DATOS OBTENIDOS DEL GENERADOR DE VAPOR

TANQUE: 1mx

60 cmØ

COMBUSTIBLE:

GLP

Pcaldero: 100psi

PUNT

O

∆H

(cm

)

∆t

(seg

)

∆PGL

P

(in

H2O)

∆Pchime

n.

(in H2O)

PH2Otanq

ue

(lb/in2)

TGASE

S

Esc(ºC)

Pvapo

r

Sal(Ps

i)

T

agu

a

(°c)

1 2.5 175 6.33 0.14 100.0 260 75.20 33

2 2.6 214 6.38 0.14 102.5 265 78.6 33

3 2.4 200 6.40 0.14 105.0 270 81.1 34

24

3.2. CALCULOS.

BALANCE ENERGÉTICO

3.2.1. ANÁLISIS DE LA COMBUSTION EN EL QUEMADOR DEL

CALDERO

El combustible utilizado es el GLP y al analizar los productos de la

combustión mediante el analizador digital se obtienen los siguientes

resultados:

%CO2%CO%O2

9 % 0.021 %19.2 %

Nota:

Combustible GLP (70% propano y 30% butano)

Tomando 100 moles de productos secos se obtiene:

a [70C3H 8+30C4 H 10 ]+b [O2+3.76N 2 ]→9CO2+0.021CO+19.2O2+c N 2+d H 2O

Balance de carbono:

a (70 x3+40x 4 )=9+0.021→a=0.0244

Balance de hidrógeno:

a (70 x8+30 x 10)=2d→d=10.484

Balance de oxígeno:

2b=9 x2+0.021+19.2 x2+d→b=33.452

Balance de nitrógeno:

3.76 xb=c→c=125.781

25

(r a/ c )real=33.452(32+105.28)

0.0244 (70 x 44+30 x58)=30.30562

KgaireKg combustible

Ecuación de combustión Estequiometria:

[70C3 H 8+30C4H 10 ]+B [O2+3.76N 2 ]→DCO2+E H 2O+F N 2

Balance de carbono:

70 x3+30 x 4=D→D=330

Balance de hidrógeno:

70 x8+30x 10=2 E→E=430

Balance de oxígeno:

2B=2D+E→B=545

(r a/ c )teórico=545(32+105.28)(70 x 44+30 x58)

=15.5223Kgaire

Kg combustible

Luego:

%Exceso de aire ¿(ra /c )real

(ra /c )teóricox100−100=95.239 %

3.2.2. DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE VAPOR

mV=(∑ mV

n )×t …………(1)

Dónde:

mv=Aeq×∆H . ρH 2O

∆ t……….(2)

Aeq= Área equivalente de la sección recta del depósito de combustible

26

n = Número de tomas

t = Tiempo de prueba (seg)

Considerando la sección recta del cilindro constante; se tiene para la

figura adjunta:

Área equivalente=100x60=600 cm2=0.6 m2

Reemplazando en (2) se tiene:

mv 1=0.6×0.025×1000

175=0.0857kg /seg

mv 2=0.6×0.026×1000

214=0.0728kg /seg

mv 3=0.6×0.026×1000

200=0.078kg /seg

Por lo tanto en (I) se tiene:

mV=( mv 1+mv 2+mv3

3 )×tmV=( 0.0857+0.0728+0.078

3 )× (196.33 )=15.478Kg

3.2.3. DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE COMBUSTIBLE

V GLP=√ ∆hH 2O×ρH 2O

ρGLP×2 g

A12× A2

2

A12−A2

2 ….. (3)

Dónde:

∆ hH 2O=caídade presión enel orificio(mH2O)

27

ρH 2O=1000kgr

m3

ρGLP=1.845kgr

m3

g=9.81m

s2

A1=Area de latubería pducto

A2=Area del orificio

d1=diámetrode la tubería(1 ¨ )=0.0254m

d2=diámetrodel orificio (0.5 ´ ´ )=0.0127m

V GLP=(∑ V GLP

m )×t (m3 )…… ..(4)

Reemplazando los datos en (3) se tiene:

V GLP1=√ 6.33×0.0254×10001.845

×2×9.810.00050672×0.00012662

0.00050672−0.00012662=0.0054063m3 /seg

V GLP2=√ 6.38×0.0254×10001.845

×2×9.810.00050672×0.00012662

0.00050672−0.00012662=0.0054276m 3/seg

V GLP2=√ 6.40×0.0254×10001.845

×2×9.810.00050672×0.00012662

0.00050672−0.00012662=0.0054312m3 /seg

Reemplazando en (4) se obtiene:

V GLP=( 0.0054063+0.0054276+0.00542763 )×196.33=1.06444m3

3.2.4. CÁLCULO DEL CALOR ÚTIL(Q1)

Considerando el ciclo siguiente para el generador de vapor:

28

Q1=mv

V GLP

× (h2−h1 )…….(5)

Dónde:

h2=(hg|78.3 psi )=2756.8KJKg

=658.323Kcal /Kg

Para T=33 °C y P=78.3 psi (tabla termodinámica)

h1=137.8KJKg

=32.966Kcal /Kg

Reemplazando en (5) se obtiene:

Q1=15.478

1.06444× (658.323−32.966 )=9093.303Kcal /m 3

3.2.5. CALOR PERDIDO EN LOS GASES DE ESCAPE (Q2)

Q2=V gases×Cpg× (T g−TBS )…………(6)

Dónde:

Vgases =Volumen de los gases de escape (m3)

Cpg = calor específico de gases = 0.3997 Kcal/m3°K

Tg = temperatura de salida de los gases ºC

Ta = temperatura de bulbo seco (TBS) ºC=19.44 ºC

C = cantidad de Carbono en el combustible

29

Además:

V GASES=√ ∆hH2O×ρH 2O

ρGASES×2 g

A12× A2

2

A12−A2

2 … ..(7)

∆ hH 2O=caídade presión enel orificio(mH2O)

ρH 2O=1000kg

m3

ρGASES=0.74207kgr

m3

g=9.81m

s2

A1=Area de latubería escape

A2=Area del orificio

d1=diámetrode la tubería(12 ¨ )=0.3048m

d2=diámetrodel orificioasumido (6 ´ ´ )=0.1524m

V GASES=(∑ V GASES

m )×t (m3 )…… ..(8)

Para el cálculo de la densidad de la mezcla utilizamos la ecuación de

Clapeyron [1]:

ρGASES=MGC

22.4×[T × P0

P×T 0]

Dónde:

MGC=9× ( 46 )+0.021× (30 )+19.2× (32 )+125.781×(28)

9+0.021+19.2+125.781=29.551

KgKmol

30

Reemplazando en la ecuación de Clapeyron:

Considerando Pgases=101.6 kPa (asumido)

Luego se tiene:

ρGASES=29.551

22.4×[ 538×101300101600×292.594 ]

=0.7196Kg /m3

Reemplazando en la ecuación (7) se tiene:

V GLP1=√ 0.14×0.0254×10000.74207

×2×9.810.0728222×0.01824142

0.0728222−0.01824142=0.182699m 3/seg

Por lo tanto:

V GASES=0.182699×218=39.8285m3

Reemplazando en la ecuación (6) se tiene:

Q2=39.8285×0.3997× (265−19.44 )=3909.18Kcalm 3

3.2.6. CALOR PERDIDO POR EVAPORACIÓN DEL AGUA DE

FORMACIÓN (Q3)

Q3=9H [ (100−T C )+322.4069+0.3997 (T g−100 ) ] Kcalm3

Dónde:

9H = cantidad de agua formada considerando que 1 Kg de H2 es

capaz de formar 9 Kg de H2O

H’ = cantidad de H2 en el combustible (17.84%)

31

H=0.1764H’/m3comb=0.031469

Entonces reemplazando se obtiene:

Asumiendo: Tc=20.8ºC (temperatura del combustible)

Q3=9×0.031469 [ (100−20.8 )+322.4069+0.3997 (265−100 ) ]

Q3=132.422Kcalm3

3.2.7. CALOR PERDIDO POR EVAPORACIÓN DE HUMEDAD

SUPERFICIAL DEL COMBUSTIBLE (Q4)

Q4=w (212−TC )+970.3+0.46 (T g−212 )

W = cantidad de humedad/lb de combustible.

Q4 solo es significativo en combustibles sólidos.

Por tanto: Q4 = 0.

3.2.8. CALOR PERDIDO POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA (Q5)

Teniendo en cuenta las siguientes reacciones químicas de combustión

Q5=%CO

%CO2+%CO×2367.88C Kcal /m3

C=0.8236×C '

m 3comb

C=cantidad de carbono en el combustible (82.15%), Reemplazando datos

se obtiene:

32

Q5=0.021

9+0.021×2367.88 (0.8236×0.8215 )=3.7295Kcal /m3

3.2.9. CALOR PERDIDO POR CARBÓN NO CONSUMIDO Y SE HALLA

PRESENTE EN LAS CENIZAS (Q6)

Q6=14150×W a

mc

×Ca

Wa = peso de ceniza recolectada por unidad de tiempo.

mc = peso de combustible quemado por unidad de tiempo.

Ca = peso de combustible en cenizas, es asumido como carbono.

Por tanto: Q6 = 0.

3.2.10. CALOR PERDIDO AL CALENTAMIENTO DE LA HUMEDAD DEL

AIRE AMBIENTAL (Q7)

Q7=(V GASES−V GLP )×CPV × (T g−TBS )× 1V GLP

( Kcalm3 )

Dónde:

CPV=Calor específicodel vapor=0.2664Kcal

m3° K

TBS: Temperatura de bulbo seco=19.44 ºC

Reemplazando en la ecuación anterior se tiene:

Q7= (39.8285−1.06444 )×0.2664× (265−19.44 )× 11.1165

=2271.236( Kcalm3 )

3.2.11. CALOR PERDIDO POR RADIACIÓN,CONVECCIÓN Y OTROS(Q8)

Q8=PCGLP−∑i=1

i=7

Qi

Dónde:

PCGLP=22400Kcal

m3

33

Q8=22400−(2271.236+3.7295+132.422+3909.18+9093.303)¿

Q8=6990.1295Kcal

m3

3.2.12. EFICIENCIA DEL GENERADOR(n):

nT=Q1

PCGLP

nT=9093.303

22400=40.595 %

3.3. RESULTADOS.

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL BALANCE TÉRMICO

34

GRÁFICA MASA DE AGUA VS TIEMPO

OBSERVACIONES

Las pérdidas de calor en la caldera en su mayoría son debido la radiación y

convección (31.29%), esto nos da idea de la antigüedad o uso de esta

caldera que fue fabricada en el 2006.

Cuando el caldero trabaja a plena carga el flujo de combustible permanece

constante.

Para trabajar a la presión necesaria, el tiempo de calentamiento del vapor

es alto.

Al realizar la experiencia, el nivel del agua en el caldero está por encima del

nivel necesario para encender la bomba de agua, por lo cual esta tardo en

encenderse.

Para trabajar a la presión necesaria, el tiempo de calentamiento del vapor

debe ser alto.

35

Cuando el caldero trabaja a plena carga, el flujo de combustible permanece

constante.

Un gran porcentaje de calor suministrado por el combustible es absorbido

por el generador de vapor, lo cual indica que mantiene una mejor eficiencia

respecto al calor perdido o absorbido.

36

CONCLUSIONES

Las pérdidas de calor que ocurren en el caldero se deben en mayor parte a

las pérdidas de calor en los gases de escape, y por evaporación del agua en

formación.

Cuando el caldero trabaja a plena carga, el flujo de combustible aumenta, es

decir, que se consume más combustible, por tanto las condiciones de

funcionamiento en este caso no son óptimas ya que aunque se consume

mayor cantidad de combustible la eficiencia no aumenta por el contrario

disminuye.

El Diagrama de Sankey es una forma práctica y sencilla de mostrar la

distribución de las potencias de entrada y salida.

Se recomienda una limpieza por medio de lanzas de vapor movidas a mano,

con sopladores de hollín, cepillos o dispositivos similares para mejorar la

eficiencia del caldero piro tubular.

La eficiencia final de 40.595% es una buena eficiencia en comparación a

otras máquinas térmicas.

Sería buena idea el uso de los purgadores, que van en la parte más baja de

la caldera y algunas veces también en el cuerpo cilíndrico; se utilizan para

sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera los

lodos, sedimento y espumas.

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RECOMENDACIONES

Se debe regular la entrada de aire al quemador, aumentando el flujo para

lograr que la combustión tienda a ser completa.

Limpiar el interior de la caldera para remover las incrustaciones de hollín y

material refractario que disminuyen la eficiencia de la transferencia de calor

al agua.

Se recomienda esperar unos minutos antes de la toma de datos para dejar

que el sistema se estabilice.

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BIBLIOGRAFÍA

Manual de laboratorio de ingeniería mecánica

www.wikipedia.org

www.fluidos.eia.edu.com

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