Problema: Un G.V. produce 17,000 Kg/h de vapor con una presión abs. De 16 kg/ cm² entrando el agua de alimentación a la caldera a 27°C. La caldera trabaja a 200% de carga. En el horno del generador se quema un petróleo cuya composición es C= 84%; H2 = 12% ; O2 = 1%; N2 =2%; S=1%. La temperatura ambiente es de 27°C. Para la combustión se emplea 20% de exceso de aire. El análisis Orsat es CO2 = 13%; CO=1%; O2= 1%; N2= 85%. El horno esta situado abajo de la caldera, se tienen perdidas por radiación de 4%; las perdidas por combustible no quemado son 2%. Se tienen perdidas de tiro en el horno de 0.03 pulg. de agua, en la caldera de 0.4 pulg. de agua, de agua, en los ductos a la chimenea de 0.02 pulg. de agua. La velocidad de los gases en la chimenea es de 12 m/seg. La temperatura de los gases en la chimenea es de 227°C, la presión atmosférica es de 760 mm hg. La humedad del aire es de 0.05 Kg de agua / kg de aire. La liberación de calor permitida es de 260,000 Kcal/ h m³Calcular:1.- El calor suministrado al vapor en la caldera.2.- La superficie de calefacción y los caballos caldera.3.- La temperatura del horno y el volumen del horno4.- El rendimiento térmico del generador

5.- El consumo de combustible por hora6.- El diámetro y la altura de la chimenea7.- Realiza el dibujo de un ventilador centrifugo y escribe cada una de sus partes.8.- Escribe por lo menos cinco materiales empleados en la construcción de hornos.

Datos adicionales: Hv= 667.1 Kcal/ kg de vapor

1.- Calculo del calor suministradoQc = W (Hv – Hb) = 17000 (667.1 – 27 ) = 10,881,700 kcal/h

2.- Calculo de la superficie de calefacción y Caballo caldera

Qc = 84.5 x CC x R :. CC = Qc = 10,881,700 = 643.88 84.5 x R 84.5 x 200

Como 1 CC = 1m², entonces S = 643.88 m²

Calculo del PCS y del PCI del combustible

PCS = 8000 C + 34500 ( H2 – O2 ) + 2200 S 8 = 8000 ( 0.84 ) + 34500 (0.12 – 0.01) + 2200 (.01) 8 = 6720 + 4096.87 + 22 = 10838.875 kcal / kg combustible

PCI = PCS – λA = 10838.87 – 600 ( 1.08 ) = 10838.87 – 648 = 10190.87 Kcal/ kg comb.

A = h + 9 (%H2) = 9 (0.12) = 1.08 Kg de agua / Kg combustible

Calculos del Aire químico y de Aire Practico para la combustión.

Aq = 11.5 C + 34.5 H2 + 4.31 S – 4.31 O2

Aq = 11.5 (0.84) + 34.5 (0.12) + 4.31( 0.01) – 4.31( 0.01)

Aq = 13.8 Kg aire / Kg comb.

Ap = Ɛ * Aq = 1.2 x 13.8 = 16.56 Kg aire / Kg comb.

Wg = Ap + ( 1 – z ) = 16.56 + ( 1 – 0 ) = 17.56 kg gases/ Kg combustible

0

Para calcular PMg =Ʃ Yi PM

Producto de la

combustión

MOL

FRACCION MOL

PM PMg

CO2 13 .13 44 5.72CO 1 .01 28 .28O2 1 .01 32 0.32N2 85 .85 28 23.8

Total 30.12

Rg = 850 = 28.22 m / °K 30.12

3.- Cálculos de temperatura y volumen del horno

Th = PCI ( 1- Pz ) + Ap x Ca ( TA – Tamb ) ( 1- Pr ) ( 1- ß ) + Tamb Wg x Cg

Th = 10190.87 ( 1- 0.02 ) + 16.56 x 0.24 ( 27 – 27 ) (1- 0.04) ( 1-0.22 ) + 27 17.56 X 0.27

Th = 9987.0575 (0.96) (0.78) + 27 4.7412

Th = 1604.3 °C

Vh = Qh = 14´704,993.32 = 56.557 m³ QL 260,000

Calculo del rendimiento térmico del Generador

P = G + WA + a + Z + I + R + V

Perdidas de gases secos G= Wgs Cg ( Tch – Tamb )

Wgs = Ap + ( 1 – Z – A ) = 16.56 + ( 1- 0 -1.08 ) = 16.56 + (- 0.08) = 16.48 Kg gases Kg comb

G = 16.48 x 0.27 ( 227 – 27 ) = 889.92 Kcal / Kg comb.

0

Qh = C.c- x PCS = 1356.69 x 10,838.875 = 14´704,993.32 kcal/h

WA = A λ + 0.48 ( Tch – Tamb ) =1.08 600 + 0.48 (227- 27)=751.68 Kcal/kg comb.

a =wa x Ap x 0.48 ( Tch – Tamb)= 0.05 x16.56 x 0.48(200)=79.488 Kcal/kg comb

Z = Pz x PCS = 0.02 x 10838.875 = 216.777 Kcal / Kg comb.

I = CO x C K = 1 x 0.84 x 5650 = 339 Kcal / Kg comb. CO + CO2 1 + 13

R = Pr x PCS = .04 x 10838.875 = 433.555 Kcal / Kg comb.

V = 1% x PCS = .01 x 10838.875 = 108.388 Kcal / Kg comb.

P = 889.92 + 751.68 + 79.488 + 216.777 + 339 + 433.555 +108.388 = 2818.808

ηg = ( 1 - P ) x 100 = ( 1 - 2818.808 ) x 100 = 74% PCS 10838.875Calculo de consumo de combustible por hora

C.c = Qc = 10´881,700 = 1,356.69 Kg comb. / h ηg x PCS 0.74 x 10838.875

Calculo del diametro y la altura de la chimenea

Vg = Wg x Rg x Tg = 17.56 x 28.22 x (227 + 273 ) = 23.9717 m³ gases Pg 10333 Kg combVg/h = C.c. x Vg = 1,356.69 x 23.9717 = 32,522.166 m³ gases comb / hCalculo del diámetro y la altura de la chimeneaVg/h = Gasto volumen = Area x VelocidadVg/h = п/4 * Dch² * v = 0.785 x Dch² x v

Dch = Vg/h = 32,522.166 = 0.979 m п/4 x v x 3600 0.785 x 12 x 3600

H = PT x 25.4 = 12.573 = 29.4 m 1 - 1 1 - 1 P Ra Ta Rg Tg 10333 29.5 x 300 28.22 x 500

Perdidas de Tiro = hh + hc + hd = 0.03 + 0.4 +0.02= 0.45 Pulg agua∆PT = Perdidas de tiro total∆PT = ∆P x 10%∆P∆PT = 0.45 x 1.1 = 0.495 Pulg. agua∆PT = 0.495 x 25.4 = 12.573 mm H2O

Un generador de vapor produce 45000 lb/ h de vapor con una presión abs. De 220 lb/ in² entrando el agua de alimentación a la caldera a 77°F. La caldera trabaja a 200% de carga. En el horno del generador se quema un petróleo cuya composición es C= 84%; H2 = 10%; O2 = 2%; N2 = 3%; S=1%.La temperatura ambiente es de 77°F. Para la combustión se emplea 30% de exceso de aire. El análisis Orsat es CO2 = 13.5%; CO = 0.5%; O2 = 2%; N2 =84%. El horno esta situado debajo de la caldera se tienen perdidas por radiación de 5%; las perdidas por combustible no quemado son 3%. Se tienen perdidas de tiro en el horno de 0.035 pulg. De agua, en la caldera de 0.45 pulg. De agua, en el sobrecalentador de 0.23 pulg. De agua, en los ductos a la chimenea de 0.025 pulg. De agua. La velocidad de los gases en la chimenea es de 35 pies/ seg. La temperatura de los gases en la chimenea es de 435°F. la presión atmosférica es de 600 mm Hg. La humedad del aire es de 0.04 lb de agua/ lb de aire. La liberación de calor permitida es de 260,000 kcal / h m³.

Calcular:1.- El calor suministrado al vapor en la caldera.2.- la superficie de calefacción y los caballos caldera.3.- La temperatura del horno y el volumen del horno4.- El rendimiento térmico del generador5.- El consumo de combustible por hora

6.- El diametro y la altura de la chimenea7.- Escribe por lo menos tres formas en que pueden fallar los materiales refractarios de los hornos.8.- Realiza el dibujo de un ventilador centrifugo y escribe cada una de sus partes.

Solucion: Datos adicionales: Hv= 1199.6 BTU/ Lb; Hb= 77-32 = 45 BTU /lbP = 600 x 14.7 x 144 = 1671.158 lb /pie² 7601.- calculo del calor suministrado al vapor en la caldera Qc = W ( Hv – Hb ) = 45000 ( 1199.6 – 45 ) = 51´957,000 BTU / h

2.- Calculo de la superficie de calefacción y los caballos caldera Qc = CC x 33500 x R = 51´957,000 :. CC = 51´957,000 x 100 100 33500 x R CC = 51´957,000 x 100 = 775.4776 33,500 x 200

CC = S :. S = CC x 10 = 775.4776 x 10 = 7,754.776 pie² 10

Calculos del PCS, PCI , Aq , Ap ,Wg y Rg

PCS = 14500 C + 62000 ( H2 – O2 ) + 4000 S 8PCS = 14500 (0.84) + 62000 (0.10 – 0.02) + 4000 (0.01) 8PCS = 18265 BTU/Lb comb. ; A= h + 9 (%H2) = 9(0.10) = 0.9PCI = PCS – λA = 18265 – 1080 (0.9) = 17293 BTU /Lb combAq = 11.5 C + 34.5 H2 + 4.31 S – 4.31Aq = 11.5(0.84) + 34.5(0.1) + 4.31(0.01) – 4.31 (0.02)Aq = 13.0668 Lb aire/Lb comb.Ap = Aq x ε = 13.0668 x 1.3 = 16.987 Lb aire / Lb comb.Wg = Ap + (1- z) = 16.987 + (1 – 0 ) = 17.987 lb gases/ Lb combPMg = 44 x 0.135 + 28 x 0.005 + 32 x 0.02 + 28 x .84 = 30.24Rg = 1545 = 51.09 pie/°R 30.24Calculo de la temperatura y el volumen del horno

Th = PCI ( 1 – Pz ) + Ap Ca (TA – Tamb) (1-Pr) (1- ß ) + Tamb Wg Cg

Th = 17293 ( 1- 0.03 ) + 16.987 x 0.24 (77- 77) (1-0.03) (1- 0.22) + 77 17.987 x 0.27

0

Th = 16774.21 (0.97) (0.78) + 77 4.85649Th = 2690.28 °F

Qh = C.c. x PCS = 3878.877 x 18265 = 71´212,988.41 BTU / hQL = 260,000 Kcal/h m³ x 3.96 = 1´029,600 / 35.315 = 29154.75 BTU / h ft³ Vh = Qh = 71´212,988.41 = 2442.586 ft³ QL 29154.75

Calculo del rendimiento térmico del generador

G = Wgs Cg ( Tch – Tamb ) Wgs = Ap + ( 1- z – A ) = 17.987 + ( 1- 0- 0.9 ) = 18.0887 lb gases 7 lb comb.G = 18.08 x 0.27 (435 – 77) = 1748.289 BTU / lb combWA = A λ + 0.48 (TA – T amb) = 0.9 1080 + 0.48 (435-77) = 1126.656 BTU/ lb comba =wa xApx0.48(TA – Tamb)=0.04 x 16.987 x 0.48 (435- 77) =116.762 BTU/lb combZ = Pz x PCS = 0.03 x 18625 = 547.95 BTU/Lb combI = CO x C X K = 0.5 x 0.84 x 10160 = 304.8 BTU/ Lb comb CO + CO2 0.5 + 13.5R = Pr x PCS = 0.05 x 18265 = 913.25 BTU/Lb comb.V = 1% x 18265 = 182.65 BTU / Lb combP = 1748.289 + 1126.656 + 116.762 + 547.95 + 304.8 + 913.25 + 182.65 P = 4040.35 BTU / Lb comb

ηg = 1 - P x 100 = 1 - 4940.357 x 100 = 72.96% PCS 18265

ηg = QV = 51´957,000 = 72.96% Qh 71´212,988.41Calculo del consumo de combustible por hora

C.c. = Qc = 51´957,000 = 3898.877 Lb comb / h ηg x PCS 0.7296 x 18265

Calculo y altura de la chimenea

Vg = Wg x Rg x Tg = 17.987 x 47.92 x 895 = 461.616 ft³ gases / Lb comb. P 1671.58Vg/h = C.c. x Vg = 461.616 x 3898.877 = 1´799,785.018 ft³ gases / h

D = Vg/h = 1799,785.018 = 4.265 pies 0.785 x V x 3600 0.785 x 35 x 3600

H = PT x 5.2 = 4.2328 P 1 - 1 1671.158 1 - 1 Ra Ta Rg Tg 53.5 x 533 47.92 x 895

Perdidas de Tiro = hh + hc + hs + hd = 0.035 + 0.45 + 0.23 + 0.025 = 0.74 Pulg agua

PT = 0.74 x 1.1 = 0.814 pulg. Agua :. PT = 0.814 x 5.2 = 4.2328 lb / pie²

H = 4.2328 = 4.2328 = 220.42 pies 1671.158 (0.000011491) 0.019203276

GLOSARIO DE FORMULASQc = W ( Hv – Hb ) BTU o K cal / hrQc = 33.5 * S * R o Qc = 33500 x CC x R/100Qc = 84.5 * CC * R o Qc = 335 x CC x RCC = S 10PCS = 14500 %C + 62000 (%H2- %O2 )+ 4000 %S Btu / Lb comb. 8PCS = 8000 %C + 34500(%H2 – %O2 ) + 2200 %S Kcal / Kg comb 8PCI = PCS – λA :. λ = 600 o 1080 :. A = h + 9 (%H2 ) kg o lb agua/ Kg o Lb comb.

Aq = 11.5 %C + 34.5 %H2 + 4.31 %S – 4.31 %O2 Kg o Lb aire / Kg o Lb combustible

Ap = ε x Aq :. Ap = A / CWg = A + ( 1 – z ) Kg o lb gases / Kg o Lb combustible CWg/s = A + ( 1- z – A ) C

Th = PCI ( 1- Pz) + A / C x Ca ( TA – Tamb ) ( 1-Pr ) (1- ß ) + Tamb °F o ° C Wg x Cg

Vh = Qh m³ o´ ft³ QL ß = 15% o´ 0.15 Enfrente de la calderaß = 22% o´ 0.22 Debajo de la calderaß = 27% o´ 0.27 Dentro de la caldera

Ca = calor especifico del aire = 0.24Cg = calor especifico del gas = 0.27

C.c. = Qh Kg o´ Lb / h PCS

C.c. = W ( Hs – Hb ) ηg ( PCS )

Perdidas por la chimenea por gases secos G = Wgs x Cg ( Tch – Tamb ) Kcal o´BTU / Kg o´Lb Comb. por vapor de agua WA = A λ + 0.48 ( Tch – Tamb ) “ Cp = calor especifico del agua = 0.48 ; Tch = Tbase x 0.48 para eliminar humedad del aire a = A x wa x 0.48 ( Tch – Tamb ) “ C

Perdidas por el combustible no quemado

Z = z x C´ x K ( = 14500 btu/lb )

Z = Pz x PCS

Perdidas por combustión Incompleta

I = %CO x C x K´ ( = 10160 BTU/Lb o´ 5650 Kcal/ Kg ) %CO + %CO2

Perdidas por Radiación y convección natural

R = Pz x PCS

Perdidas varias

V = 1% x PCS

Perdidas totales

P = G + WA + a + Z + I + R + V

ηg = 1 – P x 100 PCS

Va = Wa x Ra x Ta ; Wa ( A/C) ; Ta = °C + 273 = °K ; Ra = 29.5 o´ 53.5 P

Vg = Wg x Rg x Tg ; Rg = 850 o´ R = 1545 ; Tg = °F + 460 = °R P PMg PMg

P = x 10333 = Kg ; P = x 14.7 x 144 = Lb m² ft²

Va/h = C.c. x Va ; Vg/h = C.c. x Vg

Vg/h = Area x velocidad = 0.785 x Dch² x vA = п x Dch² 4Dch = Vg/h = m ; H = PT x 25.4 = m 0.785 x V x 3600 P 1 - 1 Ra Ta Rg Tg

Perdidas de Tiro = hh + hc + hs + hd = Pulg agua∆PT = Perdidas de tiro total∆PT = ∆P x 10%∆P = ∆P x 1.1∆PT = x 25.4 = mm H2O