bloque i - el vapor - termodinamica e industria

7/23/2019 BLOQUE I - El Vapor - Termodinamica e Industria

1/24

CALDERAS Y SISTEMAS DE VAPOR -BLOQUE I: El Vapor, Termodinmica eIndustria

Prof. Aurelio Stammitti S.

CALDERAS Y SISTEMASCALDERAS Y SISTEMASDE VAPORDE VAPOR


Marzo 2013

Reciban la ms cordial bienvenida,en nombre del personal de apoyo:ACADMICO:

Prof. Aurelio Stammitti S.Telf. (0412) 713-2893

E-mail: [email protected]

Prof. Gilberto NuezTelf. (0412) 2456789E-mail: [email protected]

ADMINISTRATIVO:

Sra. Mara DebelakE-mail: [email protected]

LOGSTICA:

Sra. Marisela GmezE-mail: [email protected]

Master Cadetep:Telf. (0212) 9064134Fax: (0212) 9064132

Lab. Fenmenosde Transporte:

Telf. (0212) 906-4113Fax: (0212) 906-4137


2/24



Presentacin del Curso Objetivo: Conocer la Clasificacin, Partes,

Clculos, Instalacin, Operacin y Mantenimientode los Sistemas de Vapor de una Planta

Organizacin:

Bloque I: EL VAPOR, Termodinmica e Industria

Bloque II: Principios y Definiciones, Combustin y Eficiencia

Bloque III: Instalacin y Operacin Segura

Bloque IV: Mantenimiento y Fallas Tpicas

Bloque V: Agua de Alimentacin y Recuperacin de Condensados

Bloque VI: Inspecciones, Normas y Aspectos Legales

BLOQUE I: El VaporTermodinmica e Industria


3/24



AGENDA

Qu es el Vapor?

Usos del Vapor en la Industria

Introduccin al Sistema de Vapor yCondensado en una Planta

Propiedades Termodinmicas yTablas de Vapor

Balances de Masa y Energa Transferencia de Calor

Qu es el Vapor ? Es Agua en estado Gaseoso

Se obtiene al calentar el agualquida hasta el punto de evaporarla

Es Muy Eficiente para Transportar EnergaCalrica por su Alto Calor Latente

El punto de ebullicin del agua depende dela presin a la que se encuentre Hierve a 100C a 1 atm de presin

Hierve a 25C a 3,17 kPaa y a 300C a 8,6 atma126,4 psia0,5 psia


4/24



Qu es el Vapor ?

Lnea deEquilibrioLiq-Vapor

A cada P leCorresponde

una T a laque Hierve

VaporLiq + VaporLquido

Calentamiento a P Ctte

Usos del Vapor en la Industria Generacin Elctrica: (Vapor Sobrecalentado)

Ciclo Rankine de Vapor

Ciclos Combinados(Gas y Vapor)

Turbinade Gas

Turbinade Vapor

Turbinade Vapor


5/24



Planta Centro - Venezuela

Central Termoelctrica Inaugurada en 1978

Capacidad Instalada 2.000MW de Electricidad

Combustible: Fuel-oil N6

Calderas Acuatubulares

Unidades 1 y 2: 540C, 2347psig (165kgf/cm2), 1225 tonvap/h

Unidades 3,4 y 5: 544C, 2404psig (169kgf/cm2), 1435 tonvap/h

Pto Crtico del AguaPC=218atm= 3023,7psia=225,2kgf/cm2TC= 374,25C=705,7F=647,4K

Usos del Vapor en la Industria Petrolera Recuperacin Mejorada

(Inyeccin de Vapor)

Reformacin con Vapor(Produccin de H2)

Rehervidores de Destilacin

Calentamiento de Corrientesde proceso

Limpieza de Intercambiadores


6/24



Usos del Vapor en la Industria

Papel Secado

Potencia

Alimentos Coccin y Esterilizacin

Limpieza

Cosmticos Calentamiento de

pastas y cremas

Farmacutica yQuirrgica Esterilizacin

Limpieza

Usos del Vapor en la Industria Servicios: Restaurantes, Lavanderas, etc.

Coccin a Vapor

Lavado y Planchado

Limpieza

Hogar

Calefaccin


7/24



Sistema de Vapor y

Condensado en una Planta Sistema Abierto: Condensado NO se Recupera

Sistema Cerrado: Si se Recupera

Partes: Generacin del Vapor (la Caldera)

Transporte y Distribucin del Vapor

Recuperacin del Condensado Acondicionamiento del Agua de Alimentacin

Sistema de Vapor de una PlantaAgua deReposicin

Tanquede

Agua

Lnea de Recuperacin de Condensado

Sistema deDistribucin

SeparadorCALDERA

Estacinreductorade Presin

Condensado

Trampade Vapor

Vlvulas de Control

EQUIPO

SeparadorFLASHBomba de Condensado


8/24



Generacin del Vapor

Calderas: Intercambiadores de Calor

Queman un Combustible

Los Gases Calientes son los que le transfierenel calor al agua para hacerla hervir

Existen muchos tipos y diseos

TITANIC

215psig600ton/da

Transporte y Distribucin Sistema de Tuberas yAislamiento

Manifolds de Vapor

Vlvulas, Filtrosy Reductores de Presin

Manmetros, Termmetros,Caudalmetros y Controladores


9/24



Recuperacin del Condensado

Separadores Flash

Trampas de Vapor

Manifolds deCondensado

Vlvulas

Tanque de Condensadosy Bomba de Recirculacin

Acondicionamiento del

Agua de Alimentacin Preparar el agua para ser

utilizada en la Caldera

Reducir la acumulacin de Incrustaciones

Prevenir Corrosin y desgastede las tuberas

Eliminar Qumicos Nocivos (Vapor Limpio)


10/24



Procesos de Acondicionamiento

Clarificacin Filtrado

smosis Inversa

Ablandamiento

Desgasificacin

Control de pH

Tratamientos Qumicos

Propiedades Termodinmicasy Tablas de Vapor

Propiedades: Temperatura, Presin,Volumen Especfico, Entalpa, Entropa

Saturacin y Sobrecalentamiento(Diagramas P-v, T-s y P-h)

Uso de las Tablas de Vapor

Sistemas de Unidades de Medicin:SI y Britnico


11/24



Propiedades Termodinmicas

Presin: Fuerza que ejerce el fluidosobre las paredes del recipiente

Temperatura: Medida de la energacintica (Agitacin) de las partculas

Volumen Especfico:

Volumen Ocupado por unaUnidad de masa deuna sustancia V m

m Vv= =

Propiedades Termodinmicas Presin:

Absoluta

Atmosfrica(Baromtrica)

Manomtrica

Temperatura: Centgrados

Fahrenheit

Kelvin

(Manomtrica)

abs man atmP = P + P

[ ] [ ]( )

[ ] [ ]

T C T F 32 1,8

T K T C 273,15

=

= +


12/24



Propiedades Termodinmicas

Entalpa: Energa que entrao sale de un sistema abiertopor el flujo de fluidos

Entropa: Medida del grado deDesorden de un sistema cualquiera

Mezclado Calentamiento

Slido

Slido + LquidoLquido

Lquido + Vapor Vapor

Calor Suministrado (kJ/kg)

Calores Sensible y Latente Calor Sensible: Hay Cambio de Temperatura

Calor Latente: No hay Cambio de Temperatura,pero S hay cambio de Fase

Calor Latente

(Vaporizacin)

Calor Latente(Fusin)

CalorSensible


13/24



(atm)

(m3/kg)

100 C

200 C

Saturacin y Sobrecalentamiento

Diagrama P-v

1

SATURACION:Coexisten el Lquido yel Vapor En Equilibrio

La T se mantieneConstante a cada P

15,33

vf=0,001044Liq. Sat

vg=1,6729Vap. Sat

v=2,17233VSC

Sobrecalentamiento:Solo Existe Vapor

1 kg Agua a 1atmOcupa:

1,044 lt Liq. Sat

1672,9 lt Vap. Sat

2172,3 lt VSC@ 200C

1m3 = 1000 lt

Diagramas T-s y P-hDiagrama T-s

Ciclos de Potencia de Vapor

Diagrama P-h

Ciclos de Refrigeracin

Presin

(kPa)

Entalpa (kJ/kg)Entropa (kJ/kgK)

T

emperatura

(C)


14/24



Tablas de Vapor

Tabla de Propiedades del Vapor adiferentes presiones y temperaturas

Se divide en Tres Secciones: Zona de Saturacin Liq-Vap (L-V)

Zona de Vapor Sobrecalentado (VSC)

Zona de Lquido Comprimido (L-C)

Disponibles en Libros y en Internet

Tablas de Vapor Lectura Directa: El valor est presente en la tabla

Interpolacin Lineal: Cuando el valor requerido estentre dos puntos de la tablaEj: TDes = 42,5C, Psat= ?

( )( )( )

1 0

0 0

1 0

Des Des

y yy y x x

x x

= +

( )( )

( )

9,5953 7,38517,3851 42,5 40

45 40

8,4902 kPa

Sat

Sat

P

P

= +

=

NOTA:La Presin es

Absoluta en lasTablas de Vapor


15/24



Calidad: Fraccin de Lquidopresente en una corriente de Vapor

Definicin:

Frmulas:

Calidad del Vapor

vapor

vapor liquido

mx=

m + m

x 1 Vapor Saturado Puro (Seco)

x 0 Lquido Saturado Puro (NO hay Vapor)

0 x 1 Hay Presencia de Lquido

en la Corriente de Vapor

=

=

< <

( )mezcla g f v = x v + 1- x v mezcla f

g f

v - vx=

v - v

V: Volumen Especfico (m3/kg)

Sistemas de Unidades Conjunto de Unidades con las que se cuantifican omiden Magnitudes y Dimensiones Ej: Longitud, Masa, Fuerza, Temperatura

Sistema Internacional (SI): Es la versin modernaaceptada internacionalmente Ej: metro, kilogramo, Newton, Kelvin, kPa, Watt

Sistema Britnico (o Imperial): Es ms antiguo, usadopor los pases anglosajones, Actualmente solo es oficialen USA y otros dos pases Ej: in, lb, lb-f, F, psi, BTU/h

Pero tambin se usa de forma conjunta en otros pasescon influencia sajona, como Venezuela (Hbrido)


16/24



Sistemas de Unidades

Unidades Comunes utilizadas en VenezuelaMagnitud Unidades SI Unidades Britnicas

Longitud m, cm, mm in, ft, yd

Volumen m3, lt, gal, in3, ft3

Masa kg, g, Ton lb, oz

Temperatura C, K F, R

Presin kPa, atm, bar, kgf/cm2 psi

Volumen Especfico m3/kg ft3/lb

Potencia (motores) kW HP

Flujo de Calor kW BTU/h, BoHP

Flujo Msico kg/s, kg/h, Ton/dia lb/s, lb/h, lb/dia

Caudal Volumtrico m3/s, m3/h, lt/min ft3/s, ft3/h, gal/min, gal/h

NO sonIguales

Sistemas de Unidades Conversiones de Unidades ImportantesMagnitud Conversin

Longitud 1 m= 100 cm | 1 in= 2,54 cm | 1 ft= 12 in | 1 yd= 3 ft

Volumen 1m3= 1000 lt | 1 galUS= 3,7854 lt | 1 ft3= 28,3168 lt

Masa 1 kg=1000 g | 1 lb= 453,6 g

Presin 1 kPa=1000 Pa | 1 bar= 100 kPa | 1 psi= 6,8948 kPa1 kgf/cm2= 98,0665 kPa | 1 atm= 101,325 kPa = 14,7 psi

Volumen Especfico 1ft3/lb = 0,0624 m3/kg | 1in3/lb= 3,6127e-5 m3/kg

Flujo Msico 1 kg/h= 0,000278 kg/s | 1 Ton/dia= 0,0116 kg/s

1 lb/s= 0,453,6 kg/s | 1 lb/h= 0,000126 kg/sCaudal Volumtrico 1 m3/s= 1000 lt/s | 1 ft3/s= 28,3168 lt/s | 1ft3/h= 0,0079 lt/s

1gal/min= 0,0631 lt/s | 1 gal/h= 0,0011 lt/s

Potencia (Motores) 1 kW=1000 W | 1 HP= 745,7 W

Flujo de Calor 1 BTU/h= 0,2931 W | 1 BoHP= 9.809,5 WNO sonIguales

http://www.convertworld.com/es/


17/24



Ejemplo de Clculo:Tablas de Vapor

Hallar el Flujo msico de: 10 ft3/h de Vapor Saturado a 80 psig (Patm=1atm)

Primero hallamos: abs g g a aP = 80psi +14,7psi =94,7psi =652,96kPa

Ahora leemos:3

sat gT =162,2 C v =0,291m /kg

Luego convertimos: 3 3C=10ft /h = 0,000079m /s

Finalmente calculamos:3

3

g

C 0,000079 m /sm= = = 2,7148e-4kg/s

v 0,291m /kg

Si hubisemos usado:sat

3abs a a

g

T =155,6CP = 80psi =551,6kPa

v =0,342m /kg

Y quedara: gm=C v =2,3099e-4kg/s ERROR (15%)

Cmo Determinar si un Vapor

es Saturado o Sobrecalentado ?

Primero debo poder medir Pabsy T de esa Corriente de Vapor

Luego, con la T, leo de Tablasla Psat a esa T y comparo:

Si Pabs=Psat> Saturado (Puede Haber Lquido) Si Pabs Vapor Sobrecalentado

Si Pabs>Psat > Lquido Comprimido


18/24



Balances de Masa y Energa

Balance de Masa:Toda la Masa se Conserva (No se crea ni se destruye)

Todas m que Entran = Todas m que Salen

VCe s s e e e s s

entra sale sale entra entra sale

dE= 0= Q - Q - W - W + m h - m h

dt

Estado Estacionario

Balance de Energa (1 Ley de la Termodinmica):

La energa No se crea ni se destruye,solo se transforma y/o se transfiere

Se desea disear una caldera quepueda alimentar a los siguientesequipos, segn se muestra:

Rehervidor: QR= 120 kW

Calentador QC= 250.000 BTU/h

Tanque de Coccin QT= 5 kW

Las purgas se estiman en:

Purga1= 10 kg/dia

Purga2= 2 kg/dia

Calcule:

Calor y Flujo de Vaporde la Caldera

Flujo de Agua de Reposicin

Adicional: Flujos de Vaporconsumidos por cada equipo

Ejercicio de Clculo 1

Nota: Recordar que las Vlvulasse consideran isentlpicas,es decir:


19/24



Primero aplicamos elBalance de Masa:

Ahora el Balance deEnerga Global

OJO Todos los Calores debenestar en las mismas unidades QC= 250.000 BTU/h = 73,27kW

Supondr: QPerdidas= 5% de lostres Equipos

Ejercicio de Clculo 1 Solucin

Reposicion Purga1 Purga 2 FUGASm m m m= + +

Si las Hubiese,las puedo hallar

CALDERA R C T PerdidasTuberas

Q Q Q Q Q= + + +

Deben Estimarse

Equipos R C T

Perdidas EquiposTuberias

Q Q Q Q 198, 27 kW

Q 5%Q 9,91 kW

= + + =

= =

CALDERAQ 208,18 kW (Capacidad Mnima)=

Reposicionm 12kg / dia=

NOTANOTA:: Siempre dimensionar para el Punto Mximo de Operacin

(21,2 BoHP)

Transferencia de Calor Proceso por el cual se transfiere energa

trmica entre dos cuerpos que estn adiferentes temperaturas: Conduccin: Entre Slidos

Conveccin: Entre un Slidoy un Fluido

Radiacin: Entre superficiesdistantes

En un Sistema de Vapor vamos a estudiar: De los Gases Calientes al Agua

Prdidas al Ambiente


20/24


Prof. Aurelio Stammitti S. 2

De los Gases Calientes al Agua

El Combustible se quema yproduce Gases Calientes

Esos gases entran en contactocon el agua a travs de lostubos de intercambio

Los gases ceden el caloral agua, evaporndola(pudiendo o no sobrecalentarla,segn se requiera)

Prdidas al Ambiente Desde la Superficie de la Caldera

Conveccin y Radiacin (Simultneas)

Por las Tuberas de Vapor Aislamiento Trmico

Ej: Aislamiento Deficiente Materiales como Fibra o Lana de Vidrio,usualmente Recubiertas de Aluminio


21/24



Prdidas al Ambiente

Por Conveccin (Sin considerar Radiacin)

LT: Longitud de la Tubera

A: reas Superficiales

k Conductividades Trmicasdel tubo y el aislante

h: Coeficientes deConveccin

( ) ( )int amb

CONV

2 1 3 2

int int T T AIS T ext ext

ConduccinConveccion Conduccion ConveccionPared del Tubo Interna Capa de Aislante Externa

T -TQ =

ln r r ln r r 1 1+ + +

h A 2 k L 2 k L h A

r1

r2

r3

Tamb= 25C

Prdidas al Ambiente Por Conveccin: Pero conociendo

la Temperatura de la Superficie Se simplifican los trminos:

El Coeficiente h depende tantode la Geometra (Pared, Cilindro, etc.)como de la velocidad, direccin yTipo de Fluido (Aire, Agua, Vapor, etc.)

( )CONV ext ext s ambQ =h A T -T TS= 300C

Tamb= 25C


22/24



Prdidas al Ambiente

Por Radiacin: Alrededores: Superficies cercanas al objeto

Prdidas Totales:

( )4 4RAD s s s ALR

2 4

Q = A T -T en W

WOJO: T en Kelvin ; = 5,67e-8

m K

TOTAL CONV RADPERDIDO

Q = Q + Q TOTALPERDIDO

Caldera

CALDERA

Q

% Perdida = 100%Q

TALR= 30C

TS= 300C

S= Emisividad dela Superficie

Ejercicio de Clculo 2 Prdidas al Ambiente de

una Tubera de Vapor Sin Aislante

Tubera: LT=100m ; di =1in ; eT= 3mm

Hierro Negro: kT=55W/mK ; S=0,97

Conveccin: Ambiente: hext 5 W/m2K (aire estancado)hext 30 W/m2K (viento bajo)

Vapor: hint 9000 W/m2K (Vapor que Condensa)

Calcular: QTotal Perdido ; x a la salida si mvapor= 0,2 kg/s

200C

Tamb= 25C

TALR= 30C

Ts= 198C


23/24



MLV 200Cxs=? .

hg=2792,1 kJ/kg

hf= 852,4 .

Prdidas:

Calidad a la Salida: V.SAT 200Cm=0,2kg/shg=2792,1 kJ/kg

Ejercicio de Clculo 2 Solucin

200C

Tamb= 25C

TALR= 30C

Ts= 198C

2

ext e TA d L 9,86m= =

( )CONV ext ext s ambQ =h A T -T 51, 2kW =(30 W/m2K)

( )4 4RAD s s s ALR Q = A T -T 22,4kW =

TOTAL CONV RADPERDIDO

Q = Q + Q 73,6kW=

s= 0,97

QPerd

( )TOTAL e s sPERDIDO

Q = m h h h 2424,1kJ / kg =

s fs s

g f

h hx x 81,03%

h h

= =

Se pierde 19%19% del Vapor

como Condensado

Ejercicio de Clculo 3 Prdidas al Ambiente

Con Aislante

Mismos Datos Anteriores

Aislante:Lana de Vidrio Recubierta

kA=0,04 W/mK ; eA= 0,5in y 1in ; SA=0,1

Calcular QTotal Perdido ; x a la salida si mvapor= 0,2 kg/s

Comparar los calores en ambos casos

200C

TALR= 30CTamb= 25C

Ts= 155C ; 90C


24/24



Datos de Contacto: [email protected]

Oficina: Edif. TYT-101.

Tel: 0212-906-4113 ext. 105

bloque i - el vapor - termodinamica e industria

Documents