Ensayo de Una Caldera Pirotubular-franklyn

INDICE

I. RESUMEN

II. INTRODUCCION DEL ENSAYO

III. MARCO TEORICO

IV. OBJETIVOS:

A).- GENERALES B).- ESPECIFICOS

V. EQUIPOS E INSTRUMENTOS

VI. ESQUEMA DE INSTALACION

VII. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

A).-TABULACION DE DATOSB).-ANALISIS Y METODOLOGIA DE CALULOSC).- TABULACION DE RESULTADOSD).-GRAFICOS

VIII. DISCUSIONES

IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

X. BIBLIOGRAFIA

Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Experimental F.I.M.E.

I.- RESUMEN DEL ENSAYO

El ensayo que se iba ser es de caldea en el laboratorio es una caldera piro tubular

que consiste en un sistema completo de equipos y aparatos de control aunque los

componentes son antiguos pero nos de una manera u otra el funcionamiento de una

caldera con lo cual a través de unos datos tomados como son de el caudal másico se

tomo cuatro datos en un tiempo de treinta minutos con lo cual se tomara el caudal

promedio así también en ese lapso de tiempo se tomo de datos la presión de la

caldera las temperaturas del bulbo seco ,bulbo húmedo, la temperatura del agua, la

temperatura del combustible, la temperatura del gas, el delta de h del tanque. Luego

de haber tomados todos esos dato se pasara a calcular la eficiencia de la caldera a

través del método directo o el método indirecto según manda las ecuaciones, también

pasaremos a calcular el calor útil, las pérdidas de todo el proceso de la caldera en

todo su funcionamiento.


II.- INTRODUCCION

El presente informe, elaborado en base a la experiencia llevada a cabo en el laboratorio de maquinas térmica tiene la intensión de ser una modesta contribución para conocer el funcionamiento de una Caldera.

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.

Al diseñarse una caldera, se debe tener en cuenta que tenga una superficie lo suficientemente grande, como para permitir una buena transferencia de calor para que la combustión se realice de la forma más eficiente posible y también de un modo tal, que las perdidas en calor sean lo más pequeñas, para así, obtener el máximo rendimiento.

Estas se clasifican, atendiendo a la posición relativa de los gases calientes y del agua, en pirotubulares y acuotubulares.

Una caldera se puede elegir para un servicio determinado depende del combustible de que se disponga, tipo de servicio, capacidad de producción de vapor requerida, duración probable de la instalación, y de otros factores de carácter económico.

Con respecto a la operación de la caldera, es importante realizar el Balance Térmico, el cual consiste en saber la distribución del calor resultante de la combustión del combustible, el balance térmico consiste en la confección de una tabla con el calor absorbido por el generador de vapor y con las varias perdidas caloríficas concurrentes en la combustión.

En este informe se mostrará en forma objetiva el funcionamiento de la caldera del tipo pirotubular con que cuenta nuestra universidad, así mismo tiene como fin obtener todos los parámetros de identificación o performance de la caldera ,por medio de la toma de datos durante la experiencia.

Finalmente esperando que este informe cumpla con su objetivo y sea de valor informativo al lector que la tenga en sus manos.


III.- MARCO TEORICO

CALDERAS

Una caldera o Generador de Vapor es un elemento de transferencia de calor, cuya finalidad es convertir el agua en vapor a una presión y temperatura previamente determinada. Este cambio de estado es producido por el aprovechamiento de calor producto de una combustión, generalmente es un proceso a presión constante

Componentes de una caldera:

Partes sometidas a presión: Tenemos: - Superficie de calefacción. - Tanques para almacenamiento de agua y vapor. - Superficie de recalentamiento.

Equipo de combustión: - Tanques de almacenamiento de combustible. - Bomba de inyección. - Reguladores de flujo de combustible. - Quemadores, etc.Equipos auxiliares: Son todos aquellos elementos que complementan la función de los componentes antes mencionados, tales como sopladores de hollín, desviadores de gases, bombas de agua, indicadores de nivel, termómetros, manómetros, válvulas de seguridad, etc.

APLICACIONES

a) Uso Domésticob) Uso Industrial

SELECCION DE UNA CALDERA

Presión de Trabajo

De Alta Presión.- Son usadas para la generación de potencia, la presión de trabajo están por encima de 100 psi.

De Baja Presión.- Son utilizados para procesos domésticos (panadería, lavandería, hospitales, etc.). La presión de trabajo está por debajo de los 100 psi.

Posición de Gas y Agua

Pirotubulares.- Es aquella en la cual los gases se desplazan por el interior del tubo y el agua por la parte exterior. La producción de vapor es de 50000 lb/h.

Acuotubulares.- Es aquella en la cual los gases se desplazan por la parte exterior del tubo y el agua por la parte interior del tubo. La producción de vapor es de 10000 lb/h.


Por la Forma de los Tubos

Rectos Curvados

Por la Posición de los Tubos: En función del área donde se instalará la caldera.

Verticales Horizontales Inclinados

Por el servicio prestado:

Fijos. Portátiles.


EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CALDERAS

COMBUSTIÓN

• Optimizar la combustión mediante análisis de gases y regulandola automáticamente, evitando excesos de aire.

• Utilizar agua y combustibles precalentados. Además, si es posible aire precalentado.

• Trabajar a una temperatura de petróleo adecuada en el quemador.

• Mantener en buen estado el quemador, para garantizar buena pulverización del combustible.

¿ ηC=Energía que transportan los productosEnergía absorvida por el agua

=QA

QT

x 100%=mV . (hg−he )

mC .Pc.x 100%

Donde:mV : Flujo de Vapor

∘ {mC=ATanque . ΔZ . ρC

t¿: Flujo de Combustible

ΔZ : Desnivel del Combustible

ρC : Densidad del Combustible

Pc : Poder Calorífico del Combustible

t : Tiempo de la prueba

FACTOR DE VAPORIZACION

Es la relación entre el calor absorbido por 1Kg. de agua de alimentación en las condiciones

reinante en la caldera y el absorbido por 1Kg. de agua a 100ºC al vaporizarse a 100ºC.

¿ Fv=hg−he

543 . 3. (KcalKg)

VAPORIZACION EQUIVALENTE

Es el producto del factor de vaporización por la cantidad de vapor generado.


¿ Ve=mV .Fv (Kg

H ) PRODUCCION DEL CALDERO

Es la relación entre vaporización equivalente y la cantidad de combustible invertida.

¿ Pcald .=VemC

HP DEL CALDERO

Es la cantidad de vapor capaz de dar a un motor de vapor un caballo de fuerza.

¿ HPC=QU .(BTU

Lb). mC .(Lb H)33500 .(BTU

HPxH ) Donde: ∘ QU=

mV

mC

. (hg−he )

IV.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS

1. Caldera Piro-tubular

2. Bomba de agua

3. Tanque hidroneumático


4. Ablandador

5. Colector de vapor

6. Sicrómetro (Para medir las temperaturas de Bulbo seco y de bulbo húmedo)

7. Tanque de condensado

8. Regulador de presión

9. Medidor de flujo de masa de vapor


10.Quemador (llama baja, llama alta)

11.Tanque de combustible

12.Calentador de agua

13.Bacharac


V.- ESQUEMA DE INSTALACION


VI.- PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

No hubo ensayo de caldera pero estos serian los procedimientos para este ensayo

1. Seleccionar el tipo de combustible a utilizar poniendo el interruptor en la posición OIL o GAS.

2. Verificar que todas las válvulas y demás instrumentos estén puestos en un adecuado orden de funcionamiento.

3. En el sistema de alimentación del agua revisar el nivel de agua en el tanque de condensado y abrir las válvulas de línea de la bomba a la caldera. Comprobar que los grifos de nivel visible en la columna de control de nivel estén abiertos; y abrir la válvula de purga de aire ubicada en el árbol de la columna de nivel.

4. Poner el interruptor de la bomba de agua ubicado en el tablero auxiliar en posición ``AUTOMÁTICO, en esta forma el nivel de agua llegara a su punto normal. Las válvulas de purga y las válvulas de salida principal de vapor deben estar cerradas. La válvula de purga de aire debe permanecer abierta, hasta que empiece a salir vapor; luego se deberá cerrar.

5. Encender la caldera aproximadamente 45 minutos antes de tomar los datos iniciales, este es el tiempo aproximado para que el proceso termodinámico empiece a generarse. Poner el interruptor general ubicado en el tablero principal en posición ``ON´´, el quemador arrancara inmediatamente. Para permitir un calentamiento lento de la caldera mantener el switch auxiliar del tablero principal en posición de ´´LLAMA BAJA`` hasta que la presión sea de 40 psig, luego de lo cual se pasara a la posición de ´´MODULACION``. Cuando el manómetro indique 100 psig abrir lentamente la válvula de salida de vapor, luego de esta la caldera trabajara automáticamente. Las válvulas de purga de los controles de nivel habrá que abrirlas una vez cada turno, y se harán cuando el quemador este prendido.

6. Tomar medidas iniciales en simultaneo de : los gases de escape, presión de la caldera, temperatura del bulbo seco, temperatura del bulbo húmedo, temperatura del agua, temperatura del combustible y del flujo masico del vapor.

7. Tomar varias lecturas del flujo masico durante 30 minutos(dato del profesor).


8. Transcurrido los 30 minutos tomar nuevamente lecturas simultaneas como en el paso tres pero además tomamos la variación de altura del combustible y la medida del diámetro del cilindro del combustible.

9. Procedemos a apagar el caldero. Para apagar Calderas poner el interruptor general en posición ´´OFF`` tanto del tablero principal como de la bomba de agua. Esperar el tiempo necesario para que la presión de la caldera llegue a 0; a continuación cerrar la válvula de entrada de agua y salida de vapor a la caldera.

A).-TABULACION DE DATOS

Datos dado por el profesor del curso

Pcaldero(Psi) 100 689.4 (kPa)

T comb (oC) 25

T gases (oC) 184

T agua (oC) 50

TBS oF 74.3 23.5(°C)

TBH oF 69 20.56(°C)

% CO2 7.2

% O2 11.3

CO (ppm) 72

B).-ANALISIS Y METODOLOGIA DE CALCULOS

Datos de la geometría del tanque de combustible y la variación en t = 30 min

D=610mm

∆H=2mm

Datos del combustible:

Combustible diesel D2

S=0.876

Poder calorífico=19300Btu/lb

Considerando el % de gases de combustión:


a) Método directo

ηc=mv∗(hs−he)mc∗PCI

………………………………………………………………….....(1)

El poder calorífico es: 19300 Btu/lb = 44889 KJ/kg

Entonces el flujo de vapor se tiene:

flujode vapor=mv=363kg /hr

Calculo de mc

Sabemos:

mc=ρ×Vt=( s×1000 ) ×

π4

×D2×∆ H

t

Reemplazando:

mc=(0.876×1000 )×

π4×0.612×0.002

30×1

60

mc=1.024 kg/hr

De tablas obtenemos:

hs=2762,12 KJ /kg

he=209.33 KJ /kg

Reemplazando en (1)

ηc=363∗(2762.12−209.33)

1.024∗44889=20.16

Este valor es erróneo ya que el flujo de masa del combustible es muy pequeño por

eso ocasiona que la eficiencia sea demasiado alto.

b) Método indirecto

1. Energía en forma de calor que recibe el agua en la caldera (Energía Térmica Útil)

qutil=mv∗(hs−he)

mc


qutil=363∗(2762.12−209.33)

1.024=904944.11KJ /kgc

2. Perdida de energía en forma de calor por formación de agua durante la combustión del H2 en el combustible

q2=9∗mH 2

mc

∗[4.18∗(100−T c)+2257+1.8723∗(T g−100) ]Dato:mH 2

mc

=0.15

Entonces:q2=9∗0.15∗[4.18∗(100−25 )+2257+1.8723∗(184−100)]

q2=3682.49 KJ /kgc

3. Perdida de energía en forma de calor por gases secos producidos de la combustión

mg

mc

=4∗(% CO2 )+%O2+700

3∗(%CO2+%CO )∗C

mg

mc

=4∗(7.2 )+11.3+7003∗(7.2+0.0072)

∗0.85=29.09kgg

kgc

Cpg=1.0035kJ

kg−KT g=184 °C=457 K

qg=mg

mc

∗Cpg∗(T g−T BS )=29.09∗1.0035∗(184−23.5 )

qg=4685.28 KJ /kgc

4. Perdida de energía en forma de calor por combustión incompleta

q4=(% CO% CO2+%CO )∗23695.33∗C

q4=( 0.00727.2+0.0072 )∗23695.33∗0.85=20.12 KJ /kgc

5. Perdida por energía en forma de calor por humedad del aire atmosférico


q5=mH 2O

mC

∗1.8723∗(T g−T a)

mH 2O

mC

=( mH2O

mC)∗( mH 2O

mC)=ω∗r a

c

r ac

=[ 3.06∗(% N2)%C O2+%CO ]∗C

w = 0.01543 kgv/kgaire(De la carta Psicométrica)

DIESEL:= C12H23 (Fórmula aproximada)

x (C12 H 23 )+a (O2+3.76 N 2)→7.2C O2+11.3O2+ p N2+b H 2 O+0.0072CO

Luego balanceando los coeficientes:

Para el Carbono 12x=7.2+0.0072 x=0.6

Para el Hidrógeno 23X=2b 23*0.6=2b b=6.9

Para el Oxigeno 2a=2x(7.2+11.3)+b+0.0072

a=21.96

Para el Nitrógeno 3.76.a=p p=82,56

Luego la relación aire combustible será:

r ac

=[ 3.06∗(82.56)7.2+0.0072 ]∗0.85=29.80kga/kgc

Entonces:q5=0.01543∗29.8∗1.8723∗(184−23.5 )=138.18 KJ /kgc

6. Perdida de energía en forma de calor que no se determinan

(Transferencia de calor. Tiro, etc.)

q6=Pci−∑n=1

n=5

qn


q6=44889−(904944.11+3682.49+4685.28+20.12+138.18 )

q6=−868581,18 KJ /kgc

Entonces la eficiencia térmica calculada por el método indirecto:

ηtc=PC−∑ q i

PC

=1−∑ qi

PC

ηtc=1−(−868581,18)

44889=20.35

C).- TABULACION DE RESULTADOS Y GRAFICOS

En el siguiente diagrama de sankey no mostramos los valores del Qutil y

las perdidas por radiación convección y otros debido a que no se tienen

resultados correctos.

No se pudo corroborar que las perdidas por radiación están en el intervalo de

0.5% y 5% del poder calorífico de combustible

5 % PC combustible= 5100

(44889 )=2244.45KJ /kgc

0.5 % PC combustible= 0.5100

(44889 )=224.445 KJ /kgc


VII.- RESULTADOS Y DISCUSIONES

El resultado anterior nos hace pensar que es muy probable, que los datos dado por el profesor es errónea por lo tanto hay que verificar con la experiencia de otro laboratorio.

Hemos observado que el sistema de tuberías de la caldera está aislada para disminuir el total de perdidas.

En el poco tiempo que estuvimos en el laboratorio nos dimos cuenta que hay que tener cuidado con las superficies externas de la caldera pues estas se encuentran a alta temperatura, de esta forma evitaremos accidentes.

Se ha hecho un balance térmico de transferencia de calor con la finalidad de demostrar los cálculos termodinámicos, haciendo uso de ecuaciones experimentales.


Es importante tener mucho cuidado con los instrumentos de medición, para evitar que por descuido o alguna otra razón se averíen o se rompa

IX.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

En nuestra experiencia los datos no cuadraban y basándonos en los datos de placa, se vio que el error era de flujo másico del combustible, se recomienda que la variación de nivel del tanque el combustible sea 45 mm

Con este dato los posibles valores serán:

qutil=35231.38KJkg

=78.48 %

q2=3682.49KJkg

=8.20 %

q3=4685.28KJkg

=10.44 %

q4=20.12KJkg

=0.045 %

q5=138.18KJkg

=0.31 %

q6=1131.55KJkg

=2.52%

qconveccion , radiacion y otros=224.445KJkg

=0.005 %

RECOMENDACIONES

Se recomienda medir el flujo másico de vapor por el método alternativo (midiendo el

desnivel del agua en el tanque de condensado)


X.- BIBLIOGRAFIA

Guía proporcionada por el Ing. Jorge Alejos Zelaya, FIME – UNAC.

CENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A. TERMODINAMICA. Editorial Mc. Graw Hill.

APUNTES DEL CLASES.

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