estudio termodinÁmico de una caldera industrial …
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UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOacutePEZ MATEOS
SECCIOacuteN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIOacuteN
CARACTERIZACIOacuteN TEacuteRMICA DE UNA CALDERA
INDUSTRIAL DE 94 CC DE TIPO ACUOTUBULAR
QUEMANDO GAS NATURAL
T E S I N A
QUE PARA OBTENER EL DIPLOMA DE
ESPECIALIZACIOacuteN EN INGENIERIacuteA TEacuteRMICA
PRESENTA
ING DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING
DIRECTOR DE TESINA
DR GEORGIY POLUPAN
CIUDAD DE MEacuteXICO JUNIO 2017
INSTITUTO POLITEacuteCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIacuteA MECAacuteNICA Y ELEacuteCTRICA
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
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SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
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41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
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411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
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412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
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414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
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415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
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416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
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Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
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42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
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43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
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44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
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[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
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Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
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[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
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31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
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El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
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416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
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Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
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42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
Pioro Handbook for transversely finned tubs heat exchanger design
Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
Aqua-Chem Inc USA 2015
[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 57
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
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El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
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416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
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Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
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42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
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43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
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44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
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Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
Pioro Handbook for transversely finned tubs heat exchanger design
Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
Aqua-Chem Inc USA 2015
[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Agradecimientos
A Dios por permitirme cumplir esta gran meta darme la fuerza y la perseverancia para seguir hasta el final
A mis padres Rociacuteo y Martiacuten por brindarme su amor y apoyo incondicional en todo momento y mostrarme el camino a seguir en la vida para superarme diacutea con diacutea Por alentarme a no rendirme y a seguir adelante Y confiar en miacute
A mis hermanos Aalemir y Vanessa por su completo carintildeo consejos y contar con su apoyo
A mis abuelas a las que estaacuten y ya no estaacuten porque siempre confiaron en que lograriacutea algo importante en mi vida
A mis amigos Diego Francisco Irving y Alexis por brindarme su apoyo y amistad en esta y las proacuteximas etapas en mi vida
A mi tiacuteo Juan por su apoyo para miacute y mis padres y siempre confiar que lograriacutea llegar a esta meta tan importante
Al Dr Georgiy Polupan por su guiacutea y asesoramiento para realizar este trabajo por todo el apoyo recibido
Al M en C Guilibaldo Tolentino Eslava por su apoyo y atenciones durante mi estancia en el LABINTHAP
A la comisioacuten revisora por sus comentarios para mejorar este trabajo
Al personal acadeacutemico y administrativo del Instituto Politeacutecnico Nacional (IPN)
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologiacutea (CONACyT)
Al personal del Laboratorio de Ingenieriacutea Teacutermica e Hidraacuteulica Aplicada (LABINTHAP)
A todos muchas de gracias
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
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SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
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El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
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SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
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411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
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412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
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42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
Pioro Handbook for transversely finned tubs heat exchanger design
Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
Aqua-Chem Inc USA 2015
[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Contenido
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING i
Contenido
Paacutegina
Relacioacuten de figuras v
Relacioacuten de tablas vii
Nomenclatura ix
Resumen xii
Abstract xiii
Introduccioacuten xiv
Capiacutetulo 1 1
Fundamentos de las calderas 1
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares 2
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales 5
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular 7
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 8
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular 9
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular 9
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver Brooks
de 94 CC 10
13
Capiacutetulo 2 13
Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular 13
21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D similar
a la caldera de Cleaver Brooks 14
211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC 15
212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular 16
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten 19
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 57
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
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El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
Pioro Handbook for transversely finned tubs heat exchanger design
Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
Aqua-Chem Inc USA 2015
[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural 21
221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural 22
222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 23
223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural 33
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una
caldera de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 41
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de
94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural 50
23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94
CC54
Capiacutetulo 3 57
Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total
(100) 57
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas natural a
carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar 58
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman 58
312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad 60
313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular 63
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar 63
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga total
(100) 64
321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 65
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular 67
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten 68
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga total (100) 69
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor 70
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas natural a
carga total (100) 73
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 57
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
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El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
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416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
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Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
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42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
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43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
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Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
Pioro Handbook for transversely finned tubs heat exchanger design
Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
Aqua-Chem Inc USA 2015
[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa 73
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular 73
343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera 74
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa 74
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas natural
a carga total (100) 75
Capiacutetulo 4 77
Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica de la caldera y la presioacuten de
saturacioacuten en domos en la eficiencia teacutermica de la caldera
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la presioacuten
de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de una caldera de
94 CC quemando gas natural 78
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten
de saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
79
412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 81
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 83
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 85
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y
100 87
416 Comparacion de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica
de 40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar89
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape 119954120784 91
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento de la
caldera por radiacioacuten y conveccioacuten 119954120787 92
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC 93
Conclusiones 95
Recomendaciones 97
Bibliografiacutea 98
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
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Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
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Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
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31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
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[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
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Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
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acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexos 100
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial 101
Anexo 2 Planos de una caldera acuotubular de 94 CC104
Anexo 21 Caldera acuotubular vista superior corte horizontal 105
Anexo 22 Caldera acuotubular vista frontal corte vertical primer hilera 106
Anexo 23 caldera acuotubular vista frontal corte vertical hilera par 107
Anexo 24 Caldera acuotubular vista posterior corte vertical uacuteltima hilera 108
Anexo 25 Caldera acuotubular festoacuten 109
Anexo 3 Participaciones en congresos 110
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Particularidades del caacutelculo teacutermico
en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural 110
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Increase efficiency of a boiler termal
industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural (Aumento de
la eficiencia teacutermica de una caldera industrial acuotubular de 94
CC quemando gas natural) 111
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico Estudio de la contaminacioacuten de una
caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural 112
Anexo 34 Congreso Nacional de TermodinaacutemicaDurango Estudio
termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural 113
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
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Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
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SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
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412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
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416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
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Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
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[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING v
Relacioacuten de figuras
No De figura Tiacutetulo Paacutegina
11 Partes principales de una caldera 3
12 Ejemplo de caldera acuatubular 5
13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor 8
14 Vista frontal y lateral de la caldera 11
15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks 12
21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks 14
22 Distintas hileras a lo largo de la caldera a) Vista frontal primera
hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista
frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior uacuteltima hilera 15
23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar 17
24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y
en tres dimensiones 18
25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal 18
26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos 19
27 Vista frontal del festoacuten 20
28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de
la caldera 21
29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera 22
210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar 23
211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas
de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen
del hogar 25
212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten 33
213 Vista superior corte horizontal del festoacuten 35
214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos 42
215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos 44
216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa51
217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la
carcasa 52
218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5 56
31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT hogar) 59
32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten) 68
33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a
una presioacuten de 10 bar (CT Banco de tubos y carcasa) 74
41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable) 90
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
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Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
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Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 1 Fundamentos de las calderas
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
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SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
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412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
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416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
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Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
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[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable) 84
43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable) 90
44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable) 88
45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de
calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable) 92
46 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia
de la presioacuten de saturacioacuten y la carga teacutermica 90
47 Graacutefica de la peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la
presioacuten de saturacioacuten 91
48 Graacutefica de la peacuterdida q5 en dependencia de la carga teacutermica 93
49 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a
diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 94
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
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Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
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Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
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Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
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31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
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413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
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[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
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Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
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acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de tablas
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING vii
Relacioacuten de tablas
No de tabla Tiacutetulo Paacutegina
11 Clasificacion de calderas [15] 7
12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3] 11
13 Dimensiones principales de la caldera [3] 12
21 Caracteriacutesticas del festoacuten 35
22 Caracteriacutesticas del banco de tubos 44
23 Caracteriacutesticas de la carcasa 52
31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar 62
32 Paraacutemetros a la salida del hogar 64
33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de
composicioacuten estaacutendar 66
34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten 69
35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de
conveccioacuten 71
36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio 72
37 Paraacutemetros a la salida de la caldera 75
41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable) 79
42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable) 79
43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10
bar CT variable) 79
44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
10 bar CT variable) 82
45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable) 81
46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable) 81
47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8
bar CT variable) 81
48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
8 bar CT variable) 84
49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable) 83
410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable) 83
411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6
bar CT variable) 83
412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
6 bar CT variable) 86
413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable) 85
414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable) 85
415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4
bar CT variable) 85
416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
4 bar CT variable) 88
SEPI ESIME ZACATENCO Relacioacuten de figuras
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable) 87
418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable) 87
419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2
bar CT variable) 87
420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten
2 bar CT variable) 90
421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 90
422 Peacuterdida q2 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de
saturacioacuten 91
423 Peacuterdida q5 a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100 92
424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas 93
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Nomenclatura
Siacutembolo Nombre Unidades
119886ℎ119900119892119886119903 Coeficiente de emisividad en el hogar
119886119897119897119886119898119886 Coeficiente de emisividad de la flama
119886119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama luminosa
119886119899119900 119897119906119898 Coeficiente de emisividad de la flama no luminosa
119860119901119886119903119890119889119890119904 Aacuterea geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar 1198982
119860119901119886119904119900- Aacuterea del ducto por el cual circulan los gases 1198982
119860119879119900119905119886119897 Aacuterea de paredes geomeacutetrica en hogar 1198982
119860119905119906119887119900119904 Aacuterea de transferencia de calor del banco de tubos 1198982
119861119888119900119898119887 Caudal de combustible gaseoso 1198983
119904119890119892frasl
119861119900 Nuacutemero de Boltzman
119861119906 Nuacutemero de Buger
(119888 ∙ 119881 ) Calor especifico promedio de los gases en el hogar 1198961198691198983 119870
frasl
119862119867frasl
Relacioacuten de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso
119862119904 Factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
119862119911 Factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos
119889 Diaacutemetro externo de los tubos 119898
119864119879 Eficiencia teacutermica de la caldera industrial
119867119879119900119905119886119897 Aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar
1198982
119868 Entalpiacutea de los gases a la salida 1198961198691198983frasl
119868119867119900119892119886119903 Entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar 1198961198691198983frasl
119868prime119886119894119903119890 Entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras 1198961198691198983frasl
119896 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por medio en el hogar
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
1198963119886119905 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119896ℎ119900119897119897iacute119899 Coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten
1(119898 lowast 119872119901119886)frasl
119872 Posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama en el hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
119898 Coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el hogar
119875 Presioacuten del medio en el hogar 119875119886
119875119862119868 Poder Caloriacutefico Inferior 1198961198691198983frasl
119875119903 Nuacutemero de Prandtl
119876119889119894119904119901 Energiacutea liberada en el hogar de la caldera industrial en la
combustioacuten de 1 1198983 de combustible 119896119869
1198983frasl
119876119866119881 Potencia teacutermica de la caldera industrial 119896119882
1199033119886119905 Volumen relativo de los gases triatoacutemicos
1199031198672119874 Volumen relativo del agua en productos de combustioacuten
119904 Espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan 119898
119879119886 Temperatura adiabaacutetica de combustioacuten en las condiciones del hogar de la caldera industrial
119870
119879119890119899119904119906119888 Temperatura de los gases y de la superficie externa de los tubos sucios
119870
119879ℎ119900119892119886119903 Temperatura de los gases promedio en la seccioacuten de la salida del hogar
119870
119880 Coeficiente de transferencia de calor global 119882(1198982119870)frasl
119881119892119886119904 Volumen de los gases de combustioacuten a condiciones de referencia al quemar 1 1198983 de gas natural
1198983
1198983
119908 Velocidad del flujo de gases 119898119904frasl
α1 Coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
119882(1198982119870)frasl
α119888119900119899119907 Coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten 119882(1198982119870)frasl
α119903119886119889 Coeficiente de transferencia de calor por radiacioacuten 119882(1198982119870)frasl
ΔT Diferencia de temperaturas medio logariacutetmica deg119862
η Eficiencia de la caldera
120599 Temperatura promedia de los gases en el banco deg119862
120579ℎ119900119892119886119903 Temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar
λ Coeficiente de conductividad a temperatura de fluido promedio
119882(119898 119870)frasl
119907 Coeficiente de viscosidad cinemaacutetica 1198982
119904frasl
ξ119901119886119903119890119889 Coeficiente de ensuciamiento de las superficies de los tubos
120593 Coeficiente de conservacioacuten de calor
Ψ Coeficiente de la efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar
SEPI ESIME ZACATENCO Nomenclatura
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
ψ119901119886119903119890119889 Coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies
SEPI ESIME ZACATENCO Resumen
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xii
Resumen
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera industrial Cleaver Brooks (CB) de 94 CC quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas con sus
respectivos coeficientes de exceso de aire los cuales son de 40 α=14 60
α=13 80 α=125 y 100 α=12 de igual forma en el estudio se utilizan
distintas presiones las cuales son de 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Se desarrollaron planos de una caldera acuotubular de la marca Cleaver Brooks a partir de informacioacuten baacutesica obtenida en la paacutegina del distribuidor y considerando dimensiones importantes como el diaacutemetro y la separacioacuten entre de los tubos Se desarrolloacute el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular quemando gas natural Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de 21134 degC a 100 y disminuye un 225 a una carga teacutermica de 80 a 60
disminuye 676 con respecto a la temperatura maacutexima y a 40 disminuye 8 teniendo una temperatura de 19447 degC
Se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica la cual en este caso fue de 8736 y una eficiencia maacutes baja a menor carga teacutermica la cual fue a una carga de 40 obteniendo una eficiencia de 8327 Los resultados que se obtienen al realizar la caracterizacioacuten teacutermica son la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la presioacuten de saturacioacuten y al permanecer constante la carga teacutermica a 100 se
encuentra que la temperatura maacutexima es de 21134 degC a una presioacuten de 10
bar y una eficiencia de 8736 y la temperatura maacutes baja es 18548 degC a
una presioacuten de 2 bar y la eficiencia con estos paraacutemetros de trabajo es de 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Abstract
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiii
Abstract
The thermal characterization of a 94 CC industrial boiler Cleaver Brooks (CB) burning natural gas was carried out at different thermal loads with their respective excess air coefficients which are 40 α = 14 60 α = 13 80 α = 125 and 100 α = 12 in the same way different pressures are used which are 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar and 10 bar Plans were developed for an aquotubular boiler of the Cleaver Brooks brand based on basic information obtained on the dealers page and considering important dimensions such as the diameter and spacing between the tubes The calculation procedure for the aquotubular boiler was developed by burning natural gas It was obtained the change that has the temperature at the exit of the boiler in dependence of the thermal load and the saturation temperature first it was obtained in dependence of the change of thermal load and remaining constant the pressure of saturation to 10 bar obtaining a temperature From 210 degC to 100 and decreases by 225 at a thermal load of 80 at 60 decreases by 676 with respect to the maximum temperature and at 40 decreases by 8 having a temperature of 19447 degC The efficiency of the boiler was obtained with different loads it has a higher efficiency at a higher thermal load which in this case was 8736 and a lower efficiency at lower thermal load which was at a load of 40 Obtaining an efficiency of 8327 The results obtained during the thermal characterization are the temperature and thermal efficiency depending on the change of the saturation pressure and to remain constant thermal load to 100 is the maximum temperature is 21134 degC at a pressure of 10 bar and an efficiency of 8736 and the lowest temperature is 18548 degC at a pressure of 2 bar and the efficiency with these working parameters is 8882
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING xiv
Introduccioacuten
La contaminacioacuten del aire en el Valle de Meacutexico es sin duda un grave
problema ya que las industrias en su mayoriacutea no tienen un control adecuado
de sus emisiones contaminantes generadas por los gases de combustioacuten
esto hace que el aire de la ciudad no sea de buena calidad y de riesgo para
la salud Se tiene un registro aproximado de 400 calderas en el Valle de
Meacutexico utilizando combustibles liacutequidos gaseosos aceites y en algunos
casos el uso combinado de estos [15] En estas industrias solo se requiere
obtener la materia de trabajo (vapor) sin conocer la eficiencia con distintos
rangos de trabajo y por lo consiguiente se desconoce la cantidad de
contaminantes generados por los gases de combustioacuten
A partir del incremento en el uso de calderas en el aacuterea metropolitana con
las que no se cuenta con informacioacuten suficiente del proveedor al usuario
acerca de las variantes de operacioacuten con las que puede trabajar la caldera
es importante hacer un estudio teacutermico
La finalidad de dicho estudio es conocer el comportamiento de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica asiacute como la temperatura de saturacioacuten
para que trabaje en oacuteptimas condiciones aprovechando al maacuteximo el
combustible que se esteacute quemando
En el estudio teacutermico de la caldera acuotubular se va a realizar considerando
que la caldera estaacute quemando gas natural a distintas cargas teacutermicas como
a distintas presiones de saturacioacuten
Las metas cumplidas para desarrollar este trabajo
1- Hacer el disentildeo de superficies de calentamiento de una caldera
acuotubular de la marca Cleaver Brooks de 94 CC (92214 kW) a partir de
ilustraciones dimensiones exteriores y diaacutemetros de los tubos de la caldera
que se encuentran en la paacutegina de internet del distribuidor
2- Desarrollar el procedimiento del caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC
3- Aplicar el procedimiento del caacutelculo en la caldera de 94 CC en condiciones
de carga teacutermica de 40 a 100 y con cambio en la presioacuten de operacioacuten
de 2 bar hasta 10 bar
SEPI ESIME ZACATENCO Introduccioacuten
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Para alcanzar el objetivo este trabajo cuenta con 4 capiacutetulos
En el capiacutetulo 1 se da una introduccioacuten a las calderas para conocer los tipos
principales que existen asiacute como el combustible que se utiliza Tambieacuten se
explica los mecanismos de transferencia de calor que intervienen en esta
caldera
En el capiacutetulo 2 se muestran los disentildeos de las aacutereas de calentamiento en la
caldera asiacute como el procedimiento del caacutelculo para la caldera acuotubular
de 94 CC parecida a una de Cleaver Brooks quemando gas natural para
obtener la temperatura a la salida de la caldera asiacute como la eficiencia teacutermica
de la misma
En el capiacutetulo 3 se aplica el procedimiento del caacutelculo para una caldera
acuotubular quemando gas natural a una carga teacutermica del 100 con presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar obteniendo asiacute la temperatura a la salida de la caldera
y la eficiencia teacutermica de la caldera
El capiacutetulo 4 se hace el comparativo de los resultados obtenidos a distintas
cargas teacutermicas que van desde 40 con un coeficiente de exceso de aire
α=14 hasta 100 con un coeficiente de exceso de aire de α=12 asiacute como
a distintas presiones de saturacioacuten que van de 2 bar a 10 bar
Finalmente se obtienen las dependencias que tiene la temperatura a la salida
de la caldera y la eficiencia teacutermica de la misma con respecto a la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten con la que esteacute trabajando la caldera
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11 Descripcioacuten de las calderas de tipo acuotubulares
Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes
estaban en contacto solamente con su base y en consecuencia se
desaprovechaba el calor del combustible Debido a esto posteriormente se
les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calentamiento Si por el
interior de los tubos circulan gases o fuego se les clasifican en calderas
pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua)
Hasta principios del siglo XIX se usoacute la caldera para tentildeir ropas producir
vapor para la limpieza etc
Para describir una caldera se dice que es un recipiente metaacutelico cerrado
destinado a producir vapor o calentar agua mediante la accioacuten del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presioacuten mayor que la
atmosfeacuterica
A la combinacioacuten de una caldera y un sobre calentador se le conoce como
generador de vapor
El principio baacutesico de funcionamiento de las calderas consiste en una caacutemara
donde se produce la combustioacuten con la ayuda del aire comburente y a traveacutes
de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor
La estructura real de una caldera dependeraacute del tipo no obstante de forma
general se describe como se muestra a continuacioacuten (figura 11) [4]
Quemador sirve para quemar el combustible
Hogar alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la
combustioacuten del combustible utilizado y la generacioacuten de los gases
calientes
Tubos de intercambio de calor el flujo de calor desde los gases hasta
el agua se efectuacutea a traveacutes de su superficie Tambieacuten en ella se
generar las burbujas de vapor
Separador liacutequido-vapor es necesario para separar las gotas de agua
liacutequida con los gases auacuten calientes antes de alimentarla a la caldera
Chimenea es la viacutea de escape de los humos y gases de combustioacuten
despueacutes de haber cedido calor al fluido
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Carcasa contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de
calor
Figura 11Partes principales de una caldera [17]
En las calderas del tipo acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua
o vapor y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras
exteriores de ellos Son de pequentildeo volumen de agua
Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando
interesa obtener elevadas presiones y rendimiento debido a que los
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esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en
esfuerzos de traccioacuten en toda su extensioacuten
La limpieza de estas calderas se lleva a cabo faacutecilmente porque las
incrustaciones se quitan utilizando dispositivos limpiadores de tubos
accionados mecaacutenicamente o por medio de aire
La circulacioacuten del agua en este tipo de caldera alcana velocidades
considerables con lo que se consigue una transmisioacuten eficiente del calor y
por consiguiente se eleva la capacidad de produccioacuten de vapor [4]
Ventajas
Menor peso por unidad de potencia generada
Por tener pequentildeo volumen de agua en relacioacuten a su capacidad de
evaporacioacuten puede ser puesta en marcha raacutepidamente
Mayor seguridad para altas presiones
Mayor eficiencia
Desventajas
Su coste es superior
Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las
incrustaciones en el interior de los tubos son a veces inaccesibles y
pueden provocar roturas de los mismos
Debido al pequentildeo volumen de agua le es maacutes difiacutecil ajustarse a las
grandes variaciones del consumo de vapor siendo necesario hacerlas
funcionar a mayor presioacuten de la requerida
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Figura 12Ejemplo de caldera acuotubular [3]
12 Combustibles que son utilizados en las calderas industriales
El petroacuteleo es el origen de los combustibles que se utilizan en la industria
para la generacioacuten de vapor antes de cualquier tipo de uso se refina aunque
tambieacuten se queman pequentildeas cantidades sin que se someta a proceso
previo alguno
El refino del petroacuteleo en sus comienzos consistiacutea simplemente en un
proceso de separacioacuten de las fracciones ligeras de otras maacutes pesadas
mediante destilacioacuten fraccionada obtenieacutendose formas impuras de
querosenos gasolinas aceites lubricantes y fueloacuteleos El aceite crudo que
constituye el petroacuteleo contiene ademaacutes de hidrocarburos compuestos de S
O2 y N2 y trazas de Va Ni As y Cl
El uso de los combustibles foacutesiles ha permitido el gran crecimiento
econoacutemico y demograacutefico ligado a la revolucioacuten industrial del siglo
XIX En la actualidad son fundamentales para nuestra economiacutea En
2007 la combustioacuten de carboacuten petroacuteleo y gas natural representoacute
864 de la energiacutea primaria mundial [5]
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Petroacuteleo
El petroacuteleo es un aceite mineral constituido por hidroca rburos
contenido en grandes bolsas a los estratos superiores de la corteza
terrestre
Este combustible foacutesil una vez refinado da una gran cantidad de
productos empleados como fuente de energiacutea especialmente en la
automocioacuten y los motores teacutermicos Entre estos productos destacan
la gasolina el gasoacuteleo el fuel etc Tambieacuten se pueden utilizar como
materia prima de la industria petroquiacutemica [5]
Carboacuten
El carboacuten o carboacuten mineral es una roca sedimentaria de color negro
muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos
principalmente hidroacutegeno azufre oxiacutegeno y nitroacutegeno La mayor
parte del carboacuten se formoacute durante el periacuteodo Carboniacutefero (hace de
359 hasta 299 millones de antildeos) [5]
Gas natural
El gas natural es una fuente de energiacutea foacutesil al igual que lo son el carboacuten o
el petroacuteleo Estaacute constituido por una mezcla de hidrocarburos unas
moleacuteculas formadas por aacutetomos de carbono e hidroacutegeno Su poder caloriacutefico
variacutea mucho seguacuten su composicioacuten pero los maacutes elevados se encuentran
entre las 8500 y las 10200 kilocaloriacuteas por metro cuacutebico de gas Se trata de
la energiacutea foacutesil maacutes limpia en cuanto a residuos y emisiones atmosfeacutericas y
del combustible maacutes eficiente para la obtencioacuten de electricidad en las
centrales teacutermicas con una eficiencia total de un 507 frente al 257 del
fuel el 261 del uranio (central nuclear) y el 268 del carboacuten
El gas natural se puede utilizar directamente sin necesidad de transformarlo
previamente en electricidad Esta caracteriacutestica le permite tener una
eficiencia mucho mayor de un 912 Su almacenamiento es maacutes
econoacutemico y maacutes faacutecil que el carboacuten y los derivados del petroacuteleo Se
comenzoacute a utilizar a partir de los antildeos 60 como combustible preferente
excepto en el transporte donde continuacutea predominando el petroacuteleo Ademaacutes
se usa tambieacuten como materia prima de numerosos productos quiacutemicos
En la tabla 11 se muestra la cantidad de calderas que estaacuten en
funcionamiento en la zona metropolitana clasificadas por su potencia en
caballos de caldera (CC) asiacute como el tipo de combustible que utiliza [5]
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Tabla 11 Clasificacion de las calderas [15]
13 Tipos de intercambio de calor que se generan en una caldera de tipo
acuotubular
La temperatura es una propiedad intriacutenseca de la materia que indica el nivel
de energiacutea de sus moleacuteculas cuanto maacutes elevada es la temperatura mayor
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es la energiacutea cineacutetica o actividad molecular de la sustancia en cuestioacuten La
conduccioacuten molecular del calor es simplemente una transferencia de energiacutea
debida a una diferencia de temperaturas entre moleacuteculas de una sustancia
soacutelida liacutequida o gaseosa En una caldera se producen intercambio de calor
por radiacioacuten conveccioacuten y conduccioacuten (figura 13) [11]
Figura 13 Ejemplificacioacuten de la transferencia de calor [18]
131 Intercambio de calor generado por radiacioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En la transmisioacuten del calor por radiacioacuten un cuerpo cede parte de su energiacutea
interna a traveacutes de la emisioacuten de ondas electromagneacuteticas (que viajan a la
velocidad de la luz y no necesitan de un medio material para su propagacioacuten)
Al absorberse estas ondas electromagneacuteticas por otros soacutelidos su energiacutea
pasa de nuevo a un movimiento teacutermico de las moleacuteculas y por tanto a un
aumento de temperatura
A diferencia de la conduccioacuten y la conveccioacuten o de otros tipos de onda como
el sonido que necesitan un medio material para propagarse la radiacioacuten
electromagneacutetica es independiente de la materia para su propagacioacuten de
hecho la transferencia de energiacutea por radiacioacuten es maacutes efectiva en el vaciacuteo
[11]
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132 Intercambio de calor generado por conveccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o liacutequido)
en movimiento que transporta la energiacutea teacutermica entre dos zonas La
transmisioacuten de calor por conveccioacuten puede ser [11]
Forzada a traveacutes de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el
fluido a traveacutes de una zona caliente y eacuteste transporta el calor haciacutea la
zona friacutea
Natural el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su
densidad haciendo que se desplace haciacutea la zona maacutes friacutea donde cede
su calor
133 Intercambio de calor generado por conduccioacuten en una caldera de tipo
acuotubular
La conduccioacuten es el mecanismo de transferencia de calor en escala atoacutemica
a traveacutes de la materia por actividad molecular por el choque de unas
moleacuteculas con otras donde las partiacuteculas maacutes energeacuteticas le entregan
energiacutea a las menos energeacuteticas producieacutendose un flujo de calor desde las
temperaturas maacutes altas a las maacutes bajas Los mejores conductores de calor
son los metales [11]
14 Eficiencia teacutermica de una caldera acuotubular
La eficiencia de una caldera debe es una parte importante en la evaluacioacuten
de la compra ya que el costo anual del combustible puede ser faacutecilmente de
2 a 3 veces el costo de instalacioacuten de los equipos Por lo tanto una diferencia
en la eficiencia disminuye el costo del combustible esto puede compensar
faacutecilmente la diferencia de la instalacioacuten del producto
La importancia de conocer la eficiencia teacutermica con que operan los
generadores de vapor tambieacuten denominados calderas radica en evaluar el
grado de aprovechamiento de la energiacutea del combustible para producir vapor
Ademaacutes se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y
egresan de una caldera
Los meacutetodos para el caacutelculo de la eficiencia se engloban en dos el meacutetodo
directo y el indirecto El meacutetodo directo es la relacioacuten de la energiacutea
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aprovechada para la generacioacuten de calor entre la energiacutea suministrada por
el combustible
El meacutetodo indirecto (meacutetodo de peacuterdidas) es restar a la cantidad de energiacutea
suministrada las peacuterdidas en la caldera como lo son la peacuterdida transferida
al medio de trabajo en el sistema la peacuterdida por los gases de escape la
peacuterdida por la combustioacuten quiacutemica incompleta la peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos y la peacuterdida por las paredes de la
caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
Para este trabajo la eficiencia teacutermica de una caldera se calcula a partir del
meacutetodo indirecto mediante un balance de energiacutea al quemar 1 m3 de gas
natural en este balance se iguala la energiacutea realizada en el hogar por los
gases de combustioacuten con las peacuterdidas que se tengan en el sistema
15 Anaacutelisis de las aacutereas de intercambio de calor en la caldera Cleaver
Brooks de 94 CC
El estudio se basa en informacioacuten proporcionada en la paacutegina de internet de
Cleaver Brooks en la cual muestra algunos paraacutemetros importantes para el
desarrollo del procedimiento del caacutelculo En la tabla 12 se muestra la
cantidad maacutexima de vapor generada por las calderas acuotubular tipo ldquoDrdquo en
libras por hora en este caso la generacioacuten maacutexima de la caldera de 94 CC
es de 7262 lbhr [3]
Tabla 12 Paraacutemetro de la generacioacuten de vapor [3]
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Dentro de la informacioacuten que se encuentra en la paacutegina de internet se
muestran una vista lateral y una vista frontal (figura 14) de la caldera para
posteriormente analizar algunas dimensiones que son importantes en la
caldera las cuales se muestran en la tabla 13 [3]
Figura 14 Vista frontal y lateral de la caldera [3]
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Tabla 13 Dimensiones principales de la caldera [3]
Finalmente dentro de los esquemas mostrados en la paacutegina de internet se
encuentra la figura 15 la cual muestra desde una vista superior el arreglo
de tubos dentro de la caldera asiacute como las divisiones entre la zona del hogar
como el aacuterea convectiva [3]
Figura 15 Vista superior de la caldera Cleaver Brooks [3]
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 13
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21 Desarrollo de esquemas de una caldera de 94 CC acuotubular tipo D
similar a la caldera de Cleaver Brooks
El estudio teacutermico de la caldera tiene como primer paso hacer disentildeos y
planos en un programa de disentildeo en este caso se utiliza el programa
Solidworks esto se realiza al basarse en la informacioacuten que se obtiene en la
paacutegina del distribuidor primero se hace un plano superior (figura 21) en el
cual se tomaron consideraciones importantes para obtener un plano similar
a como es el original de Cleaver Brooks
Figura 21 Vista superior de caldera similar a la de Cleaver Brooks [Anexo 2]
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211 Sistema de tuberiacuteas de una caldera acuotubular de 94 CC
Partiendo del plano con vista superior corte horizontal (figura 21) se disentildean
planos frontales y posteriores de la caldera a distintas distancias a lo largo
de la misma al considerar los paraacutemetros que se tienen de la paacutegina del
distribuidor con lo que se obtienen distintos planos que se muestran en la
figura 22
Figura 22 Distintas hileras a lo largo de la caldera
a) Vista frontal primera hilera b) Vista frontal primera hilera del banco de tubos c) Vista frontal primera hilera del festoacuten d) Vista posterior ultima hilera [Anexo 2]
a)
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212 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en una caldera de tipo
acuotubular
Son las aacutereas de la tuberiacutea que en las que estaacuten en contacto con los gases
de combustioacuten estas aacutereas son disentildeadas en el programa Solidworks a partir
del plano que se encuentra en la paacutegina de Cleaver Brooks
Las aacutereas para cada caacutelculo son consideradas en dependencia de la zona
de la caldera en la cual se estaacute realizando el caacutelculo y para facilitar las
dimensiones de estas se generan voluacutemenes a partir de los planos
generados en el programa de disentildeo
Las aacutereas van desde las paredes que ocupan el volumen en el hogar el aacuterea
que abarcan los tubos en el festoacuten el aacuterea de los ductos en el banco de
tubos y el aacuterea del volumen de la carcasa
2121 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el hogar de una
caldera de tipo acuotubular
Es la superficie total que limita el hogar de la caldera los cuales consiste en
una pared que va del domo superior a domo inferior la otra pared abarca de
igual forma de los domos inferior a menor pero en esta ocasioacuten forman una
ldquoCrdquo invertida que al ser reproducida en una misma direccioacuten crea el volumen
total del hogar(la primer pared se encuentra en el lado izquierdo en la figura
23 y en esta misma del lado derecho se encuentra la tuberiacutea en forma de
ldquoCrdquo invertida)
Tambieacuten se consideran la pared frontal y la pared posterior del hogar las
cuales tienen una forma de ldquoDrdquo (figura 22) al tener la suma total de las
paredes en el hogar sin considerar las aacutereas ocupadas por la ventana de
salida y el aacuterea ocupada por el quemador
Partiendo del plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el
programa de Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de
transferencia de calor (figura 23)
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Figura 23 Superficies de transferencia de calor en el Hogar
2122 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el festoacuten de una
caldera de tipo acuotubular
El festoacuten es un arreglo de tubos el cual es por donde pasan los gases de la
combustioacuten del hogar con direccioacuten al banco de tubos dicho arreglo ayuda a
dar direccioacuten y velocidad a los gases para una mejor distribucioacuten en el banco
de tubos El festoacuten se ubica en una liacutenea imaginaria que pasan por el centro
de la primera y de la uacuteltima hilera de la pared del hogar donde se ubica la
ventana de salida el aacuterea total de esta superficie es la suma del aacuterea exterior
de los tubos que ocupan el festoacuten (figura 24)
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Figura 24 Visualizacioacuten del festoacuten desde una vista superior de la caldera y en tres dimensiones
2123 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en el banco de tubos de
una caldera de tipo acuotubular
Es el aacuterea total de los tubos que se encuentran en volumen del lado izquierdo
de la caldera sin contar los tubos que delimitan las paredes de dicho
volumen estos tubos van del domo inferior al domo superior estos tienen un
arreglo en forma de triaacutengulo (figura 25)
Figura 25 Vista frontal del banco de tubos y vista con un corte en diagonal
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2124 Aacutereas que participan en la transferencia de calor en la carcasa de una
caldera de tipo acuotubular
El aacuterea de paredes de la carcasa se calcula como la superficie de las paredes
de un paralelepiacutepedo excepto el aacuterea ocupada por la ventana de entrada de
los gases y la ventana de salida de los gases De igual forma partiendo del
plano de la vista frontal de la caldera se disentildea un soacutelido en el programa de
Solidworks para poder contabilizar mejor las aacutereas de transferencia de calor
(figura 26)
Figura 26 Superficies de transferencia de calor en el banco de tubos
213 Aacutereas para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Las aacutereas para el paso de los gases son importantes ya que estas tienen
influencia directa al flujo de los gases aumentando o disminuyendo la
velocidad para asiacute influenciar directamente a la transferencia de calor por
conveccioacuten en las superficies correspondientes
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2131 Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten
Esta aacuterea se considera como la longitud maacutexima de los tubos en la ventana
de salida de los gases del hogar con direccioacuten al banco de tubos por la
distancia que hay entre el primer tubo del festoacuten hasta la pared posterior de
la caldera menos el aacuterea que ocupan los tubos en dicho paso como se
muestra en la figura 27 donde se muestra de izquierda a derecha el primer
tubo y por uacuteltimo la pared el aacuterea en color blanco es el aacuterea por la cual pasan
los gases de combustioacuten
Figura 27 Vista frontal del festoacuten
2132 Aacuterea del banco de tubos para el paso de los gases producto de la
combustioacuten
De igual forma que en el festoacuten es la diferencia entre el aacuterea total de la
ventana de salida menos el aacuterea ocupada por los tubos en esta zona y los
gases circulan del banco de tubos a la salida de la caldera como se ve en la
figura 28 en la parte derecha se tiene la ventana de salida de la caldera
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Figura 28 Vista lateral izquierda donde se visualiza la ventana de salida de la caldera
22 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de 94 CC de tipo
acuotubular quemando gas natural
Este subcapiacutetulo muestra el procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una
caldera [1] el cual estaacute dividido en 4 partes teniendo como primera el caacutelculo
teacutermico en el hogar en el cual se analiza la composicioacuten quiacutemica del
combustible para poder conocer su poder caloriacutefico que a su vez es el calor
disponible en el hogar
Posteriormente se hace el anaacutelisis de la transferencia de calor hacia las
paredes que limitan el hogar la segunda parte es el estudio teacutermico en el
festoacuten en el cual se analiza la transferencia de calor a los tubos
consideraacutendolo como un intercambiador de calor tomando el calor disponible
a la salida del hogar como el de la entrada del festoacuten de igual forma se
calcula la tercera parte la cual es el estudio teacutermico en el banco de tubos en
el cual se considera el calor a la salida del festoacuten como el de entrada en el
banco de tubos por uacuteltimo se analiza la transferencia de calor en las paredes
de la carcasa en el aacuterea convectiva de la caldera para asiacute obtener un calor a
la salida de la caldera con esto se tiene una temperatura a la salida que
permite calcular la eficiencia de la caldera
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221 Diagrama de flujo para conocer la sucesioacuten de pasos para encontrar los
paraacutemetros teacutermicos de una caldera de 94 CC de tipo acuotubular
quemando gas natural
A continuacioacuten se muestra el diagrama de flujo (figura 29) para realizar el
caacutelculo teacutermico de la caldera industrial Empezando por el anaacutelisis del
combustible tanto el tipo como la composicioacuten quiacutemica y el exceso de aire
tambieacuten es parte fundamental para conocer la dependencia de la entalpiacutea y
la temperatura con respecto a la carga teacutermica posteriormente despueacutes de
hacer el anaacutelisis de transferencia de calor en el hogar se obtiene una nueva
entalpiacutea y temperatura a la salida del hogar los cuales se convertiraacuten en los
paraacutemetros de entrada del festoacuten y asiacute sucesivamente pasando por el festoacuten
el banco de tubos y la carcasa en conjunto para asiacute obtener una temperatura
y entalpiacutea a la salida de la caldera Finalmente calcular la eficiencia de la
caldera
Figura 29 Diagrama de flujo para el caacutelculo teacutermico de la caldera
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222 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el hogar de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
En el diagrama de la figura 29 se muestra el procedimiento del caacutelculo
teacutermico en una caldera acuotubular y como primer parte se encuentra el
caacutelculo teacutermico del hogar Este es calculado a partir del siguiente diagrama
(figura210)
Figura 210 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del hogar
Paraacutemetros de disentildeo
Paraacutemetro M
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Este caacutelculo se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich para
determinar la temperatura adimensional en la salida de hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886=
11986111990006
119872lowast119886ℎ11990011989211988611990306+11986111990006
(21)
En donde 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura promedio de los gases en la seccioacuten de la salida
del hogar [119870] 119879119886 - es la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica en las
condiciones del hogar de la caldera industrial [119870] Bo ndash es el nuacutemero de
Boltzman M ndash es el paraacutemetro que corresponde a la posicioacuten relativa del
nuacutecleo de la flama en el hogar - 119886ℎ119900119892119886119903 es el coeficiente de emisividad en el
hogar
La temperatura adimensional de los gases a la salida del hogar es la relacioacuten
entre la temperatura absoluta de los gases a la salida del hogar (TPrimehogar [119870]) y
la temperatura adiabaacutetica de la combustioacuten (Ta [119870]) definida por la energiacutea
realizada en la combustioacuten completa en el hogar [1]
120579ℎ119900119892119886119903 =119879ℎ119900119892119886119903
119879119886 (22)
Como se muestra en el diagrama (figura 210) la temperatura estaacute en funcioacuten
de los paraacutemetros de disentildeos y uno de ellos es el paraacutemetro M
El Paraacutemetro M es el coeficiente de posicioacuten relativa del nuacutecleo de la flama
en el hogar Este coeficiente representa la distribucioacuten de temperaturas en el
hogar estaacute en funcioacuten respecto al nivel relativo de los quemadores y al tipo
de combustible utilizado en los mismos En el caso de gas natural esta
relacioacuten se expresa como
119872 = 054 minus 02119883119902119906119890119898119886119889119900119903 (23)
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La altura relativa del quemador (119883119902119906119890119898119886119889119900119903) es la relacioacuten entre de la posicioacuten
del quemador y la altura del hogar y estaacute dada por
119883119902119906119890119898119886119889119900119903 =119871119902119906119890119898119886119889119900119903
119871ℎ119900119892119886119903 (24)
Entalpiacutea
Figura 211 Diagrama de la vista frontal de la caldera y vista de las ventanas de entrada y de salida de los gases de combustioacuten en el volumen del hogar
La temperatura a la salida del hogar tambieacuten se encuentra en funcioacuten de
nuacutemero de Boltzman el cual es un paraacutemetro adimensional y caracteriza la
transferencia de calor por radiacioacuten en el hogar El nuacutemero de Boltzman se
calcula [1]
119861119874 = 120593lowast119861119888119900119898119887lowast(119888∙119881 )
567lowast10minus11lowast Ψlowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast1198791198863 (25)
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En donde
120593 ndash Es el coeficiente de conservacioacuten de calor en el hogar Bcombndash es la caudal
de combustible gaseoso [1198983
119904frasl ] (119888 ∙ 119881 )ndash es el calor especiacutefico promedio de los
gases en el hogar [119896119869
1198983 119870frasl ] 567 lowast 10minus8ndash constante de Stefan-Boltzman es la
emisividad de un cuerpo negro [11989611988211989821198704frasl ] Ψ- es el coeficiente de la
efectividad teacutermica promedio de las paredes del hogar 119860119901119886119903119890119889119890119904ndash es el aacuterea
geomeacutetrica de las superficies que limitan hogar [1198982]
Para calcular el nuacutemero de Boltzman es indispensable conocer el consumo
de combustible en un generador de vapor para calcular el consumo de
combustible se debe de analizar la relacioacuten que existe entre el calor
absorbido por el medio de trabajo en la caldera industrial y el calor disponible
en la caacutemara de combustioacuten y la eficiencia teacutermica de la caldera industrial
Esta relacioacuten estaacute dada por la siguiente ecuacioacuten [1]
119861119888119900119898119887 =119876119866119881
119876119889119894119904119901lowast120578 (26)
En donde
119876119866119881ndash Es la potencia teacutermica de la caldera industrial [119896119882] 119876119889119894119904119901ndash es la energiacutea
liberada en el hogar de la caldera industrial en la combustioacuten de 1 1198983de
combustible [119896119869
1198983frasl ] 120578 ndash es el coeficiente de eficiencia teacutermica de la caldera
industrial
La eficiencia teacutermica (ET) de la caldera para el caacutelculo de consumo de
combustible lo obtenemos desde las caracteriacutesticas teacutecnicas del fabricante
del equipo (Cleaver Brooks
El calor disponible en la caacutemara de combustioacuten de la caldera se define como
la energiacutea que se realiza en el hogar en combustioacuten de gas natural y aire
Este calor se define por la energiacutea quiacutemica del combustible (PCI)Esta
energiacutea teacutermica se representa de la siguiente forma
119876119889119894119904119901 = 119875119862119868 (27)
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El Poder Caloriacutefico Inferior de un combustible gaseoso (PCI) en la ecuacioacuten
(27) se determina como la energiacutea liberada de la reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten El poder caloriacutefico inferior se determina a traveacutes de la siguiente
ecuacioacuten
119875119862119868 = 001(1198761198672119878 lowast 1198672119878 + 119876119862119874 lowast 119862119874 + 1198761198672
lowast 1198672 + sum 119876119862119898119867119899lowast 119862119898 119867119899 (28)
En donde
1198761198672119878 119876119862119874 1198761198672 y 119876119862119898119867119899
ndash son energiacuteas liberadas en la combustioacuten de los gases
correspondientes como componentes de la mezcla [kJm3] 1198672119878 119862119874 1198672 y
119862119898119867119899ndash son voluacutemenes relativos de los gases en la mezcla de estos gases
[8]
Una de las particularidades que tienen las superficies de transferencia de
calor en la caldera es el coeficiente de eficiencia teacutermica promedio de las
superficies en este caso que limitan el hogar (Ψ) se determina como la
relacioacuten entre el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia
de calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar y su aacuterea geomeacutetrica total
Dicha relacioacuten establece la capacidad de absorber el calor por radiacioacuten y
conveccioacuten por las paredes del hogar y se determina como [1]
Ψ =119867119879119900119905119886119897
119860119879119900119905119886119897 (29)
En donde
119867119879119900119905119886119897- es el aacuterea radiante que participa en el proceso de transferencia de
calor por radiacioacuten y conveccioacuten en hogar [1198982] 119860119879119900119905119886119897- es el aacuterea de paredes
geomeacutetrica en hogar [1198982]
El coeficiente de eficiencia teacutermica de las superficies (ψ119901119886119903119890119889) que limitan al
hogar depende del coeficiente de forma de los tubos de paredes de agua que
integran el hogar (119909119901119886119903119890119889) y un coeficiente de ensuciamiento de las superficies
de los tubos (ξ119901119886119903119890119889)
ψ119901119886119903119890119889 = 119909119901119886119903119890119889 lowast ξ119901119886119903119890119889 (210)
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Para la construccioacuten de las paredes del hogar de la caldera industrial de 94
CC donde los tubos de las paredes de agua estaacuten soldados con aletas entre
ellos formando una caja en el hogar que no tiene fisuras el coeficiente de
forma es igual a 1 en caso de paredes libres de tubos de agua (como parte
de la pared frontal que estaacute ocupada por el quemador) el coeficiente de
forma es igual a 0 Si las paredes del hogar estaacuten cubiertas por paredes con
diferentes valores de coeficiente de forma el valor medio del coeficiente de
forma en el hogar se calcula de la siguiente forma [1]
Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 =sum ψ119901119886119903119890119889lowast119860119901119886119903119890119889
119860119901119886119903119890119889119890119904 (211)
Al quemar gas natural el coeficiente de ensuciamiento de paredes de tubos
de agua (ξ119901119886119903119890119889) es igual a 065
El calor especiacutefico promedio de los gases (119888 ∙ 119881 ) en el hogar se determina por
la siguiente ecuacioacuten (212) Para hacer el caacutelculo es necesario conocer la
temperatura de los gases a la salida del hogar el calor que se realiza dentro
del hogar la temperatura adiabaacutetica en hogar y la entalpiacutea de los gases a la
salida del hogar [1]
(119888 ∙ 119881 ) =119876119889119894119904119901minus119868119867119900119892119886119903
119879119886minus119879119867119900119892119886119903 (212)
En donde
119868119867119900119892119886119903- es la entalpiacutea de los gases en la seccioacuten de salida de hogar [1198961198691198983frasl ]
La temperatura adiabaacutetica en el hogar (Ta) es la energiacutea quiacutemica que se
realiza en el hogar obtenida por el combustible y el aire Esta temperatura
es la temperatura teoacuterica de los gases en el hogar y se forma en un proceso
adiabaacutetico Esta temperatura se determina como temperatura de los gases
en un proceso a presioacuten constante por medio de esta es decir la energiacutea en
el hogar se transforme a la entalpiacutea de los gases en un proceso adiabaacutetico
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De la primera ley de la termodinaacutemica en un sistema adiabaacutetico con presioacuten
constante la energiacutea de los productos en el hogar se transfiere a la entalpiacutea
de los gases [1]
119876119889119894119904119901 = 119868 (213)
La entalpiacutea de los gases teoacuterica en el hogar (119868119892119886119904119890119904) en un proceso adiabaacutetico
corresponde a la temperatura teoacuterica o adiabaacutetica de los gases en el hogar y
se determina con las tablas y graacutefica de propiedades de los productos de
combustioacuten (Anexo 1) [1]
119879119886 = 119891(119876119889119894119904119901) (214)
El coeficiente de emisividad de hogares (119886ℎ119900119892119886119903) en donde el combustible se
quema en el volumen de la caacutemara de combustioacuten se calcula usando la
ecuacioacuten [1]
119886ℎ119900119892119886119903 =119886119891119897119886119898119886
119886119891119897119886119898119886+(1minus119886119891119897119886119898119886)lowastΨ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900
(215)
El coeficiente de emisividad de la flama (119886119891119897119886119898119886) se calcula teniendo en
cuenta que en la flama de combustibles gaseosos y de liacutequidos de
componentes principales que participan en intercambio de calor por radiacioacuten
son gases triatoacutemicos (CO2 SO2 H2O) y partiacuteculas pequentildeas de holliacuten la
emisividad de la flama se calcula [1]
119886119891119897119886119898119886 = 1 minus 119890minus119896119875119904 (216)
En donde
119890ndash Es la base de logaritmos naturales 119896 - es el coeficiente de debilitamiento
de los rayos en el hogar [1119898 lowast 119872119901119886frasl ] 119875 ndash es la presioacuten del medio en el hogar
[MPa] 119904 ndash es el espesor de la capa de los gases en el hogar que iluminan
[m] [119896119901119904]ndash el nuacutemero de Buger (119861119906) que caracteriza el medio en hogar
participado en radiacioacuten
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Al quemar combustibles gaseosos y liacutequidos la emisividad de la flama se
calcula por la ecuacioacuten [1]
119886119891119897119886119898119886 = 119898 lowast 119886119897119906119898 + (1 minus 119898) lowast 119886119899119900 119897119906119898 (217)
En donde
119898 ndash es un coeficiente que depende de la densidad del flujo de calor en el
hogar al quemar combustible gaseoso 119898 =01 si 119902119907 le400 [1198961198821198983frasl ] 119898 =06 si
119902119907ge1200 [kWm3] En caso de 400 le 119902119907 ge 1200 [1198961198821198983frasl ] el valor de m se calcula
por interpolacioacuten
En normas se propone que para el caacutelculo del coeficiente de emisividad de
la flama luminosa (119886119897119906119898) y no luminosa (119886119899119900 119897119906119898) usar las ecuaciones [1]
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1198963119886119905lowast1199033119886119905+119896ℎ119900119897119897iacute119899)lowast119875lowast119904 (218)
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus1198963119886119905lowast1199033119886119905lowast119875lowast119904 (219)
El coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa por los
gases en el hogar es la suma de los coeficientes de debilitamiento
multiplicado por los gases triatoacutemicos y por el coeficiente de debilitamiento
de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten [1]
119896 = 1198963119886119905 lowast 1199033119886119905 + 119896ℎ119900119897119897iacute119899 (220)
En donde
1198963119886119905ndash Es el coeficiente de debilitamiento de los rayos por los gases triatoacutemicos
[1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 119896ℎ119900119897119897iacute119899- es coeficiente de debilitamiento de los rayos por las
partiacuteculas de holliacuten [1(119898 lowast 119872119901119886)frasl ] 1199033119886119905ndash es el volumen relativo de los gases
triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la combustioacuten
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El coeficiente de disminucioacuten de los rayos por los gases triatoacutemicos estaacute
determinado por la ecuacioacuten
1198963119886119905 = (78+161199031198672119874
radic(10lowast119875lowast1199033119886119905lowast119904)minus 1) lowast (1 minus 037
119879ℎ119900119892119886119903
1000) lowast 1199033119886119905 (221)
En donde 1199031198672119874- es el volumen relativo del agua en productos de combustioacuten 1199033119886119905- es el
volumen relativo de gases triatoacutemicos (CO2 SO2 y H2O) en productos de la
combustioacuten 119879ℎ119900119892119886119903- es la temperatura de los gases en la seccioacuten de salida
del hogar [K]
El coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten en el
hogar (119896ℎ119900119897119897iacute119899) se determina por la ecuacioacuten [1]
119896ℎ119900119897119897iacute119899 = 12
1+αℎ1199001198921198861199032
lowast (119862
119867)
04lowast (16 lowast 10minus3 lowast 119879ℎ119900119892119886119903 minus 05) (222)
En donde
αℎ119900119892119886119903- Es el coeficiente de exceso de aire en el hogar (119862119867frasl ) ndash es la relacioacuten
de carbono y de hidroacutegeno en el combustible gaseoso y se calcula por la
ecuacioacuten [1]
(119862
119867) = 012 lowast sum
119898
119899lowast 119862119898119867119899 (223)
En donde
m y n son la cantidad de aacutetomos de carbono y de hidroacutegeno que contiene la
mezcla de hidrocarburos
La presioacuten en caacutemara de combustioacuten de la caldera industrial 94 CC tipo
Cleaver Brooks es igual a 01 MPa (presioacuten atmosfeacuterica)
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El espesor de la capa de los gases que iluminan promedio en la caacutemara de
combustioacuten (119904) se determina como el radio de la esfera equivalente al
volumen de la caacutemara de combustioacuten (119881ℎ119900119892119886119903) y aacuterea de las paredes (119860119901119886119903119890119889119890119904)
que limita este volumen [1]
119904 =36 119881ℎ119900119892119886119903
119860119901119886119903119890119889119890119904 (224)
La temperatura de los gases en la seccioacuten de la salida del hogar se puede
calcular por uacuteltimo al tener todos los componentes que se requieren en la
ecuacioacuten [1]
119879ℎ119900119892119886119903 = 119879119886
119872[(56711990910minus11)lowast119886ℎ119900119892119886119903lowastΨ lowast119860119901119886119903119890119889119890119904lowast(119879119886)3
120593lowast119861lowast119862119907]
06
+1
(225)
Nota -El paraacutemetro M depende de paraacutemetros del disentildeo y puede ser determinado
directamente
-El nuacutemero de Boltzman (119861119900) y el coeficiente de emisividad del hogar (ahogar)
dependen de la temperatura de los gases en la salida del hogar 119879rdquoℎ119900119892119886119903 Pero
esta temperatura es incoacutegnita es por ello que para primera iteracioacuten usamos
esta temperatura como 1000 degC En la segunda iteracioacuten usar 119879rdquoℎ119900119892119886119903
determinada en la primera iteracioacuten y se repite el caacutelculo del nuacutemero de
Boltzman y el coeficiente de emisividad del hogar Si la diferencia de
temperaturas determinadas en la primera y la segunda iteraciones es mayor
de 5 degC hacer la tercera iteracioacuten
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223 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el festoacuten de una caldera de 94 CC
de tipo acuotubular quemando gas natural
El festoacuten es una superficie de calentamiento usada para el paso de los gases
del hogar hacia banco de tubos de evaporacioacuten y conectada con el domo
inferior y el domo superior Estaacute instalado en la ventana de salida del hogar
El medio de trabajo adentro de tubos es agua en estado de ebullicioacuten y tiene
la temperatura de saturacioacuten El caacutelculo teacutermico de festoacuten se muestra en el
siguiente diagrama (figura 212)
Figura 212 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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Este caacutelculo se hace por resolucioacuten de dos ecuaciones la ecuacioacuten de flujo de calor desde los gases hacia la superficie del festoacuten y la ecuacioacuten de calor transferido [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 lowast (119868prime minus 119868 + Δα lowast 119868deg119886119894119903119890) (226)
En donde
120593 - es el coeficiente de conservacioacuten de calor 119868prime 119910 119868- son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [kJm3] Δα- es el cambio de coeficiente de exceso de aire en
parte de ducto de gas donde estaacute instalada la superficie de calentamiento por
la succioacuten de aire frio de los alrededores 119868deg119886119894119903119890- es la entalpiacutea de aire frio que
puede entrar en ducto por fisuras [119896119869
1198983frasl ] se determina desde la tabla (ver
anexo 1) En las superficies de calentamiento el calor se transfiere de los
gases al medio de trabajo (agua vapor) en proceso de transferencia de calor
por conveccioacuten y se determina por ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119879119903119886119899119904 =119880lowast119860lowastΔT
103119861 (227)
En donde
119880 - es el coeficiente de transferencia de calor global [119882(1198982119870)frasl ] 119860- es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ΔT- es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119861119888119900119898119887- es el caudal de combustible [m3s] La temperatura y
entalpiacutea de los gases en entrada de festoacuten estaacuten conocidas del caacutelculo
teacutermico de hogar
La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en domo El coeficiente de
conservacioacuten de calor (120593) para el festoacuten es igual a 1 ya que este ocupa
menos de 5 de espacio de ducto de gas El cambio de coeficiente de
exceso de aire en parte del ducto de gas donde estaacute instalado el festoacuten por
aire frio que proviene de alrededores es igual a 0 debido a que el festoacuten estaacute
ubicado dentro una carcasa sin succiones de aire En los festones el aacuterea
para los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia agua es igual a la
superficie externa de todos los tubos del festoacuten de lado de los gases
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
En las ecuaciones (226) y (227) la cantidad de incoacutegnitas es mayor a la
cantidad de ecuaciones El caacutelculo teacutermico se hace por un meacutetodo de
iteraciones la primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
despueacutes del festoacuten de 20 a 60 ⁰ C menor a la temperatura en la salida del
hogar Despueacutes de la primera iteracioacuten esta temperatura estaacute determinada
maacutes exacta y se usa para la segunda iteracioacuten de caacutelculo teacutermico y la tercera
iteracioacuten es uacuteltima
Al tener en consideracioacuten las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera
(figura 213) se elabora la siguiente tabla con los datos de disentildeo del festoacuten
(Tabla 21)
Figura 213 Vista superior corte horizontal del festoacuten
Tabla 21 Caracteriacutesticas del festoacuten
Caracteriacutesticas del festoacuten
Nombre Nomenclatura Unidad
Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera Z1 - 4 y 3
Cantidad de hileras Z2 - 2
Cantidad total de los tubos en el festoacuten Z - 7
Longitud de los tubos promedio l promedio M 205
Aacuterea total externa de los tubos del festoacuten A m2 229
Arreglo de los tubos del festoacuten - - triangulo
Paso transversal S1 mm 1016
Paso longitudinal S2 mm 1016
Paso relativo transversal S1d - 2
Paso relativo longitudinal S2d - 2
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 0078
Aacuterea del ducto para el paso de los gases Apaso m2 161
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El calor transferido requiere que sea conocida el aacuterea de transferencia de calor del festoacuten esta se calcula por la ecuacioacuten [1] 119860 = 119889119890119909119905 lowast 119911 lowast 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (228)
Inicialmente para la primera iteracioacuten es necesario determinar la temperatura
de los gases despueacutes de festoacuten La diferencia de temperaturas en la entrada
y la salida del festoacuten (Δϑ = ϑprime minus ϑ) para festones con una cantidad de hileras
menor a 3 es Δϑ=20 ndash 60 ⁰C
Utilizando las tablas o el diagrama de entalpiacutea contra temperatura ( Iϑ ) se
determina la entalpiacutea de los gases a la salida (119868) que corresponde a la
temperatura de los gases despueacutes de la primera iteracioacuten (ϑ)
Haciendo uso de la ecuacioacuten (226) se calculan la cantidad de calor
transferido por los gases en el festoacuten (119876119892119886119904119890119904)
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor global U para
superficies planas y para banco de tubos lisos en calderas industriales es
posible calcular con la siguiente ecuacioacuten [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(229)
En donde 1
α1 y
1
α2ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los gases hacia
la pared externa del tubo y de pared del tubo interna hacia agua [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo [
(1198982119870)119882
frasl ] δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888-
es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento externo de los tubos
en el lado de los gases [(1198982119870)
119882frasl ]
δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903 ndash es la resistencia teacutermica de la capa
de incrustaciones interna de los tubos que estaacute en contacto con en el agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
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La resistencia teacutermica de la pared del tubo de metal (δ119901119886119903119890119889
λ119901119886119903119890119889) es baja por lo que
es despreciable y por esta razoacuten en el caacutelculo de coeficiente de transferencia
de calor global no es calculada
En las reglas de operacioacuten de calderas industriales el reacutegimen quiacutemico de
agua no permite tener incrustaciones de sales de dureza en la superficie
interna de los tubos Por esta razoacuten la resistencia teacutermica de incrustaciones
internas (δ119894119899119888119903
λ119894119899119888119903) no es calculada
La resistencia teacutermica de la capa de incrustaciones en lado externo de los
tubos (δ119890119899119904119906119888
λ119890119899119904119906119888) tiene nombre del coeficiente de ensuciamiento (120576) y depende de
siguientes factores de la velocidad de los gases del diaacutemetro y arreglo de
los tubos del combustible que se estaacute quemando etc Para casos donde la
dependencia del coeficiente ε de los factores no existe este coeficiente en la
ecuacioacuten (229) no se calcula
En estos casos el coeficiente de transferencia de calor estaacute calculado con el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) el cual es la relacioacuten de
coeficientes de transferencia de calor de los tubos sucios y de los tubos
limpios determinado por un experimento industrial
El coeficiente de transferencia de calor global el cual es necesario para
calcular el calor transferido al festoacuten Se calcula teniendo en cuenta el
coeficiente de efectividad teacutermica de la superficie (120595) se calcula para bancos
de tubos lisos en flujo de gases transversal (como festones) quemando gas
natural por la ecuacioacuten [1]
119880 = 120595 lowast α1 (230)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten (ψ) para la superficie de tubos
lisos con un flujo de gases transversal quemando gas natural es igual a 08
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La determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los gases
hacia la pared del tubo de festoacuten (α1) estaacute en dependencia del coeficiente de
conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten y se utiliza la siguiente ecuacioacuten [1] 1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (231)
En donde
α119888119900119899119907 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] α119903119886119889 - es el coeficiente de
radiacioacuten [119882(1198982119870)frasl ] ξ - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para bancos de tubos instalados en un flujo
transversal el coeficiente ξ = 1 [1]
El coeficiente de conveccioacuten se determina con la siguiente ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 lowast 1198621 lowast 1198622 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
119898
lowast 119875119903119899 (232)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten
El coeficiente de conveccioacuten para bancos de tubos lisos con arreglo en
triangulo en flujo de gases transversal se calcula [1]
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 119862119904 lowast 119862119911 lowast120582
119889lowast (
119908lowast119889
119907)
06
lowast 119875119903033 (233)
En donde
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Cs- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(σ = 1199041119889) y el valor de φ = (σ1 minus 1)(σ21 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (σ21) se calcula [1]
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (234)
01 le 120593 le 17 para todos σ1 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234a)
17 le 120593 le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (234b)
17 le 120593 le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (234c) 119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el
banco de tubos (z2) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten [1]
z2 lt 10 y σ1 le 3 el factor Cz = 312 lowast z2005 minus 25 (235a)
1199112 lt 10 y σ1 gt 3 el factor Cz = 40 lowast z2002 minus 32 (235b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (235c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (236)
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En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904119890119892frasl ] 119881119892119886119904- es el volumen de los gases de
combustioacuten a condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 ⁰C) al quemar 1 1198983 de
gas natural [1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del festoacuten se determina por la
radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a 1 1198982 de
la superficie de calentamiento por radiacioacuten (αrad) se calcula usando el
coeficiente de radiacioacuten [1]
α119903119886119889 = a119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (237)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(238)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los
tubos sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de
emisividad de los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten
para un volumen isoteacutermico
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (239)
En donde
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119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898] En caso de festones con
cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo de la capa que ilumina
estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los gases antes y despueacutes
de festoacuten [1]
119904 =36∙ 119881
119860 (240)
En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983]] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
224 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en el banco de tubos de una caldera
de 94 CC de tipo acuotubular quemando gas natural
En la zona de la carcasa estaacuten instalados tubos paralelos que conectan el
domo superior con domo inferior formando el banco de tubos Los tubos
tienen diaacutemetro exterior de 2 pulgadas estaacute formado por 82 hileras por 9
tubos en cada una de estas El paso transversal es de 2 pulgadas el arreglo
de los tubos es en triangulo el medio de trabajo adentro de los tubos son
agua en estado de ebullicioacuten La transferencia de calor en banco de tubos es
por conveccioacuten y por radiacioacuten El diagrama del procedimiento del caacutelculo
teacutermico en el banco de tubos se muestra en la figura 214
Este caacutelculo al igual que el del festoacuten se basa en el calor transferido a los
tubos y debido a que en las ecuaciones (241) y (242) la cantidad de
incoacutegnitas es mayor a la cantidad de ecuaciones el caacutelculo teacutermico del banco
de tubos se hace por un meacutetodo de iteraciones
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Figura 214 Procedimiento del caacutelculo teacutermico del banco de tubos
La particularidad de estos caacutelculos es que temperatura y entalpiacutea de los
gases en la entrada en la salida de la carcasa y del banco de tubos son
iguales y calor transferido en la carcasa y en el banco de tubos se necesita
sumar para determinar los paraacutemetros a la salida de los gases de combustioacuten
de caldera La primera iteracioacuten se calcula con la temperatura de los gases
en la salida de caldera a 40 degC maacutes que la temperatura de saturacioacuten
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En estado estable la cantidad de calor peacuterdido por los gases de combustioacuten
es igual a la cantidad de calor absorbida por el medio de trabajo (agua
comprimida vapor o mezcla agua-vapor) Para una superficie convectiva la
cantidad de calor peacuterdido por los gases en la carcasa y banco de tubos puede
ser calculado por la siguiente ecuacioacuten [1]
119876119892119886119904119890119904 = 120593 ∙ (119868119868 minus 119868119868119868 + ∆120572 ∙ 119868119886119894119903119890
0 ) (241)
En donde
120651 - es el coeficiente de conservacioacuten del calor 119920119920119962 119920119920119920 - son entalpiacuteas de los
gases en la seccioacuten de entrada y la seccioacuten de salida en la superficie de
calentamiento [119896119869
1198983frasl ] ∆120630 - es el coeficiente de exceso de aire 119920119938119946119955119942120782 - es la
entalpiacutea de aire frio que puede entrar en ducto por fisuras [1198961198691198983frasl ] se determina
desde 119920120657 tabla
Como se muestra en el diagrama el caacutelculo teacutermico del banco de tubos para
obtener la temperatura a la salida de esta aacuterea de calentamiento se calcula
a partir del calor transferido
El calor se transfiere de los gases al medio de trabajo (agua vapor) en un
proceso de transferencia de calor por conveccioacuten y se determina por la
ecuacioacuten de transferencia de calor [1]
119876119905119903119886119899119904119891119890119903119894119889119900 = 119880 ∙ 119860 ∙ ∆119879(103 ∙ 119861) (242)
En donde
119932 - es el coeficiente global de transferencia de calor [119882(1198982119870)frasl ] 119912 - es el aacuterea
de transferencia de calor [1198982] ∆119931 - es la diferencia de temperaturas medio
logariacutetmica [deg119862] 119913 - es la caudal de combustible [1198983
119904frasl ] En las superficies
convectivas el aacuterea en los caacutelculos de calor transferido de los gases hacia
agua es igual a la superficie de los tubos del lado de los gases
La temperatura y entalpiacutea de los gases en la entrada de la carcasa y el banco
de tubos son las mismas a la salida del caacutelculo teacutermico de festoacuten (figura 215)
[1] La temperatura del agua dentro de los tubos no cambia y es igual a la
temperatura de saturacioacuten con la presioacuten en el domo
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Figura 215 Vista superior corte horizontal del banco de tubos
El coeficiente de conservacioacuten de calor (120651) para la carcasa y el banco de
tubos es igual a el coeficiente de conservacioacuten de calor de la caldera y
depende de potencia de caldera de su construccioacuten de las paredes y de la
presioacuten en los ductos de gas Para el disentildeo de una caldera de 94 CC marca
Cleaver Brooks el coeficiente de conservacioacuten de calor (φ) en la carcasa y el
banco de tubos se calcula [1]
120593 = 1 minus
1199025
119864119879+1199025 (243)
En donde
119954120787 - es la peacuterdida de calor en caldera a los alrededores por radiacioacuten y
conveccioacuten de paredes
El cambio del coeficiente de exceso de aire en la parte del ducto de gas en
donde estaacute instalado el banco de tubos por el aire frio de sus alrededores es
igual a 0 porque carcasa no tiene succiones de aire frio por su construccioacuten
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera se
hizo la tabla 22 de datos de disentildeo y caracteriacutesticas del banco de tubos
Tabla 22 Caracteriacutesticas del banco de tubos
Caracteriacutesticas del Banco de tubos
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Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Cantidad de tubos en hilera z1 9
Cantidad de hileras z2 82
Cantidad total de los tubos z 738
Longitud de los tubos promedio lproedio m 205
Aacuterea total externa de tubos Atubos m2 24176
Arreglo de los tubos en triangulo
Paso transversal s1 mm 1016
Paso longitudinal s2 mm 1016
Paso relativo transversal s1d - 2
Paso relativo longitudinal s2d - 223
El calor transferido en el banco de tubos estaacute en funcioacuten del aacuterea de
transferencia de calor esta uacuteltima se calcula a partir de la longitud promedio
de los tubos en el banco que se calcula con la ecuacioacuten 244 [1]
119897119901119903119900119898119890119889119894119900 =1198991∙1198971+1198991∙1198971+⋯
119911 (244)
En donde
n1 n2 - es la cantidad de los tubos con longitud de l1 l2hellip en banco z ndash es la
cantidad total de los tubos en el banco
A continuacioacuten es posible calcular el aacuterea de transferencia de calor del banco
de tubos con la ecuacioacuten 245 [1]
119860119905119906119887119900119904 = 120587 ∙ 119889119890119909119905 ∙ 119911 ∙ 119897119901119903119900119898119890119889119894119900 (245)
Un paraacutemetro importante es la temperatura a la salida de la caldera
inicialmente para primera iteracioacuten es necesario determinarla La
temperatura en la salida de caldera 120657119920119920 depende de temperatura de
saturacioacuten y para calderas acuotubulares industriales esta temperatura para
la primera iteracioacuten se determina como [1]
120599119868119868 = 119905119904 + 40 deg119862 (246)
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Usando 119920120657 tablas o 119920120657 diagrama (ver anexo 1) se determinan la entalpiacutea de
los gases 119920119920119920 que corresponde a la temperatura 120657119920119920 de los gases a la salida
de la caldera
El calor transferido al igual que en el festoacuten requiere del coeficiente global de
transferencia de calor 119932 para superficies planas y para bancos de los tubos
lisos de generadores de vapor y es posible calcular con la ecuacioacuten 247 [1]
119880 = 1
1
1205721+
120575119901119886119903119890119889
120582119901119886119903119890119889+
120575119890119899119904119906119904120582119890119899119904119906119904
+120575119894119899119888119903120582119894119899119888119903
+1
1205722
(247)
En donde 120783
120630120783 y
120783
120630120784 ndash son resistencias teacutermicas de transferencia de calor de los
gases hacia la pared externa del tubo y de la pared del tubo interna hacia
agua [(1198982119870)119882
frasl ] 120633119953119938119955119942119941
120640119953119938119955119942119941 ndash es la resistencia teacutermica de la pared metaacutelica del tubo
[(1198982119870)
119882frasl ]
120633119942119951119956119958119956
120640119942119951119956119958119956 - es la resistencia teacutermica de la capa de ensuciamiento
externo de los tubos en el lado de gases [(1198982119870)
119882frasl ]
120633119946119951119940119955
120640119946119951119940119955 ndash es la resistencia
teacutermica de la capa de incrustaciones internas de los tubos en el lado del agua
[(1198982119870)
119882frasl ]
El coeficiente global de transferencia de calor tiene en cuenta el coeficiente
de efectividad teacutermica de la superficie 120653 el cual se calcula para tubos lisos
con el medio de trabajo en estado de saturacioacuten por la ecuacioacuten 248 [1]
119880 = 120595 ∙ 1205721 (248)
El coeficiente de efectividad teacutermica del festoacuten 120653 como la superficie de tubos
lisos en flujo de gases quemando gas natural es 120653 igual a 08
Para la determinacioacuten del coeficiente de transferencia de calor desde los
gases hacia las paredes de los tubos del banco 120630120783 se calcula con la
ecuacioacuten [1]
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1205721 = 120585(120572119888119900119899119907 + 120572119903119886119889) (249)
En donde
120630119940119952119951119959 - es el coeficiente de conveccioacuten [119882(1198982119870)frasl ] 120630119955119938119941 - es el coeficiente de
radiacioacuten 120643 - es el coeficiente de participacioacuten de la superficie en
transferencia de calor Para tubos instalados en un flujo transversal el
coeficiente 120643 = 120783
En general el coeficiente de conveccioacuten se determina [1]
120572119888119900119899119907 = 119862 ∙ 1198621 ∙ 1198622 ∙120582
119889∙ (
119908∙119889
120584)
119898∙ Prn (250)
En donde
119875119903ndash es el nuacutemero de Prandtl que caracteriza las propiedades del medio de
trabajo 119908- es la velocidad del flujo de gases [119898119904frasl ] λ - es el coeficiente de
conductividad a temperatura de fluido promedio [119882(119898 119870)frasl ] 119907- es el coeficiente
de viscosidad cinemaacutetica a la temperatura promedio de un fluido [1198982
119904frasl ] 119889-
es el diaacutemetro externo de los tubos [119898] 119862 119898 119899 ndash son coeficientes que su
valor depende del arreglo de los tubos en el banco del tipo de superficie y
del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de los gases 1198621 119910 1198622 ndash son los
factores con los que cuentan la influencia de condiciones reales en el
coeficiente de conveccioacuten [1]
119862119904- es el factor que se determina en dependencia de paso transversal relativo
(120590 = 1199041119889) y el valor de 120593 = (1205901 minus 1)(12059021 minus 1)
El paso diagonal promedio de los tubos (12059021) se calcula
12059021 = radic1205901
2
4+ 1205902
2 (251)
01 le φ le 17 para todos 1205901 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251a)
17 le φ le 45 y 1205901 lt 3 el factor 119862119904 = 077 lowast 12059305 (251b)
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17 le φ le 45 y 1205901 ge 3 el factor 119862119904 = 095 lowast 12059301 (251c)
119862119911- es el factor que se determina la influencia de cantidad de hileras en el banco de tubos (1199112) y se calcula con la siguiente ecuacioacuten
1199112 lt 10 y 1205901 le 3 el factor 119862119911 = 312 lowast 1199112005 minus 25 (252a)
1199112 lt 10 y 1205901 gt 3 el factor 119862119911 = 40 lowast 1199112002 minus 32 (252b)
1199112 ge 10 el factor 119862119911 = 1 (252c)
El coeficiente de conveccioacuten depende de la velocidad de la temperatura del
fluido el tipo de la superficie (lisa rugosa etc) el arreglo geomeacutetrico de los
tubos en el banco y del tipo de caracteriacutesticas de movimiento de fluido (a lo
largo de tubos perpendicularmente o con una inclinacioacuten)
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal se calcula [1]
119908 =119861119888119900119898119887lowast119881119892119886119904lowast(
120599
273)
119860119901119886119904119900 (253)
En donde
119860119901119886119904119900- es el aacuterea del ducto por el cual circulan los gases [1198982] 119861119888119900119898119887- es la
caudal del combustible [1198983
119904frasl ] 119881119892119886119904- es volumen de los gases de combustioacuten a
condiciones de referencia (119875=1 bar 120599 =0 deg119862) al quemar 1 1198983 de gas natural
[1198983
1198983] 120599 - es la temperatura promedia de los gases en el banco [deg119862]
El coeficiente de radiacioacuten para el caacutelculo del banco de tubos se determina
por la radiacioacuten de los gases triatoacutemicos La cantidad de calor transferido a
1 1198982 de la superficie de calentamiento por radiacioacuten (119902119903119886119889) se calcula usando
el coeficiente de radiacioacuten [1]
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120572119903119886119889 = 119886119903119886119889
119879minus119879119890119899119904119906119888lowast 103 (254)
En donde
119931 y 119931119942119951119956119958119940 - son la temperatura de los gases y de la superficie externa de los
tubos sucios [119870]
Para productos de la combustioacuten de gas natural el coeficiente de radiacioacuten
se calcula [1]
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙119886119890119899119904119906119888+1
2∙ 119886 ∙ 1198793 ∙
1minus(119879119890119899119904119906119888
119879)
36
1minus119879119890119899119904119906119888
119879
(255)
En donde
119938119942119951119956119958119940- es el coeficiente de emisividad de las superficies radiantes en los tubos
sucios para calderas 119938119942119951119956119958119940 = 120782 120790 [1] 119938 - es el coeficiente de emisividad de
los gases a temperatura 119931 y se determina por la ecuacioacuten para un volumen
isoteacutermico [1]
119886 = 1 minus 119890minus119896∙119875∙119904 (256)
En donde
119948 ∙ 119927 ∙ 119956 - es el espesor oacuteptico de la sumatoria de los gases en el festoacuten 119927
- es la presioacuten de los gases en los ductos de las calderas industriales (119875 =
01 119872119875119886) 119956 - es el espesor efectivo de la capa de los gases que iluminan
hacia las superficies limitadas por el volumen [119898]
En caso de festones con cantidad de hileras menor de 3 el espesor efectivo
de la capa que ilumina estaacute calculado teniendo en cuenta los voluacutemenes los
gases antes y despueacutes de festoacuten [1]
119956 =120785120788∙ 119933
119912 (257)
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En donde
V ndash es el volumen de los gases antes del festoacuten [1198983] A ndash es el aacuterea de las
paredes que limitan el volumen de los gases antes del festoacuten [1198982]
225 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico en la carcasa de una caldera de 94
CC de tipo acuotubular quemando gas natural
La carcasa estaacute formada por paredes de tubos de agua que estaacuten soldados
entre ellos con aletas La carcasa tiene la ventana de entrada de los gases y
la ventana de salida de los gases Los gases circulan a lo largo de las
paredes de la carcasa y participan en el proceso de intercambio de calor por
conveccioacuten y por radiacioacuten
La temperatura de los gases en la ventana de entrada a la carcasa es la
misma que la temperatura de los gases en la salida del festoacuten La
temperatura de los gases en ventana de salida de la carcasa es la misma a
la temperatura de los gases en la salida de la caldera
A continuacioacuten se muestra e diagrama para el procedimiento del caacutelculo de
la carcasa (figura 216)
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Figura 216 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de la carcasa
Teniendo en cuenta las caracteriacutesticas teacutecnicas y dibujos de la caldera (figura 217) se hizo la tabla 23 de datos de la carcasa
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Figura 217 Vista de las ventanas de entrada y de salida del volumen de la carcasa
Tabla 23 Caracteriacutesticas de la carcasa
Caracteriacutesticas Carcasa
Nombre Nomenclatura Unidad Diaacutemetro de tubos externo dext mm 508
Aacuterea total de paredes Aparedes m2 515
Altura del ducto de los gases C m 205
Anchura del ducto de los gases D m 101
Aacuterea del ducto para el paso de los gases
Apaso m2 208
Para el caacutelculo teacutermico de la carcasa se requiere conocer el aacuterea de las
paredes estas se calculan como el aacuterea de las paredes de un paralelepiacutepedo
excepto el aacuterea de la ventana de entrada de los gases y el aacuterea de la ventana
de salida de los gases [1] (pueden ser definidas desde los planos generados
en el programa Solidworks)
119912119953119938119955119942119941119942119956 = 120784119912119943119955 + 119912119949119938119957120783 + 119912119949119938119957120784 + 119912119956119958119953 + 119912119946119951119943 minus 119912119959119942119951120783 minus 119912119959119942119951120784 (258)
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En donde
119912119943119955 - es el aacuterea de la pared frontal de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120783 - es el aacuterea de la
pared lateral derecha de la carcasa [1198982] 119912119949119938119957120784 - es el aacuterea de la pared lateral
izquierda de la carcasa [1198982] 119912119956119958119953 - es el aacuterea de la pared superior de la
carcasa [1198982] 119912119946119951119943 - es el aacuterea de la pared inferior de la carcasa [1198982]
119912119959119942119951120783 119962 119912119959119942119951120784 - son aacutereas de la ventana de entrada de los gases y de la
ventana de salida de los gases [1198982]
El coeficiente de conveccioacuten para superficies planas de calentamiento de tubos lisos con aletas entre de ellos en un flujo de gases longitudinal se calcula con la ecuacioacuten [1]
120572119888119900119899119907 = 0023 ∙120582
119889119890119902∙ (
119908∙119889119890119902
120584)
08
∙ Pr04 (259)
En donde
119941119942119954 - es el diaacutemetro equivalente del ducto de gas [119898] Para un ducto es la
seccioacuten rectangular del banco de tubos instalado adentro el diaacutemetro
equivalente se calcula con ecuacioacuten [1]
119889119890119902 = 4(119886∙119887minus119911∙
120587∙1198892
4)
2(119886+119887)+119911∙120587∙119889 (259)
En donde
119938 y 119939 - son dimensiones de la seccioacuten transversal del ducto de gases (de la
carcasa) [119898] 119963 - es la cantidad de los tubos en ducto de gas 119941 - es el diaacutemetro
externo de los tubos [m]
El orden del caacutelculo teacutermico de la carcasa y del banco de tubos asiacute como del
festoacuten se muestra en la figura 212
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23 Procedimiento para el caacutelculo de la eficiencia teacutermica en una caldera
de 94 CC
El balance de energiacutea en generador de vapor al quemar 1 m3 de gas natural
es el siguiente [1]
119876 = 1198761+1198762 + 1198763 + 1198764 + 1198765+1198766 (260) En donde
Q ndash es la energiacutea realizada en el hogar [119896119869
1198983frasl ] Q 1 - es la energiacutea transferida
al medio de trabajo en sistema [1198961198691198983frasl ] Q2 - es la energiacutea peacuterdida por los gases
de escape [119896119869
1198983frasl ] Q3 - es la energiacutea peacuterdida por la combustioacuten incompleta
quiacutemica de combustible [119896119869
1198983frasl ] Q4 - es la energiacutea peacuterdida por la quema
incompleta fiacutesica de combustibles soacutelidos [119896119869
1198983frasl ] Q5 - es la energiacutea peacuterdida
por las paredes de caldera al medio ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten
[119896119869
1198983frasl ] Q6 - es la energiacutea peacuterdida con calor de cenizas y escorias saliendo de
la caldera quemando combustibles soacutelidos [1198961198691198983frasl ]
En una caldera industrial de 94 CC marca se quema gas natural y por esta
razoacuten las peacuterdidas Q3 Q4 y Q6 no se calculan Para no tener la peacuterdida Q3 con
la combustioacuten incompleta quiacutemica el fabricante (Cleaver Brooks) propone
coeficientes de exceso de aire para su propio disentildeo de la caacutemara de la
combustioacuten con quemador para asegurar la combustioacuten completa a
diferentes cargas teacutermicas de caldera [3]
100 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120782
80 de carga teacutermica - 120630119918119933 = 120783 120784120787
60 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120785120782
40 de carga teacutermica ndash 120630119918119933 = 120783 120786120782
Despueacutes de observaciones anteriores el balance de energiacutea en generador
de vapor quemando gas naturas se calcula [1]
119928 = 119928120783+119928120784 + 119928120787 (261)
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La eficiencia teacutermica del generador de vapor es la relacioacuten de la energiacutea
absorbida por el medio de trabajo en sistema a la energiacutea realizada en el
hogar [1]
119916119931 =119928120783
119928 (262)
La ecuacioacuten (262) es posible presentar como
119916119931 = 120783 minus119928120784
119928minus
119928120787
119928= 120783 minus 119954120784 minus 119954120787 (263)
En donde
119928120784 - es la peacuterdida de energiacutea relativa con gases de escape Q5 - es la peacuterdida
de energiacutea relativa al medio ambiente [1]
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como diferencia de
entalpiacutea de gases de escape en la salida de generador de vapor y de la
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente [1]
119954120784 =119928120784
119928∙ 120783120782120782 =
[119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942minus120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838∙119920119938119946119955119942119943119955119946119952120782 ]
119928 (264)
En donde
119920119944119938119956119942119956119940119938119953119942 - es la entalpiacutea de los gases de escape con coeficiente de exceso
de aire 120514119840119834119852119838119852119836119834119849119838 y con temperatura 120541119840119834119852119838119852119836119834119849119838 [119896119869
1198983frasl ] 119920119938119946119955119942119943119955119946119952119952 - es la
entalpiacutea de aire frio en la combustioacuten completa [1198961198691198983frasl ]
La peacuterdida de radiacioacuten depende del tipo de caldera la potencia la carga
teacutermica y la temperatura ambiente La cantidad de calor perdido por la
superficie externa (119928120787) no cambia con carga teacutermica de la caldera pero si
cambia la potencia generada por la misma
La peacuterdida relativa 119954120787 =119928120787
119928 con incremento de carga teacutermica (Q) crece
proporcionalmente
La peacuterdida de calor con enfriamiento externo de generador de vapor se
determina con la graacutefica (figura218) [1]
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 2 Procedimiento para el caacutelculo teacutermico de una caldera de tipo acuotubular
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 218 Graacutefica para calcular la peacuterdida q5
Las peacuterdidas de calor con enfriamiento externo 1 ndash Generador de vapor sin
economizador y precalentador de aire 2 - generador de vapor con
economizador y precalentador de aire
En caso de carga teacutermica cambia maacutes de 25 la peacuterdida de calor 119928120787 se
recalcula con ecuacioacuten 265 [16]
119954120787 = 119954120787119951119952119950 ∙119915119951119952119950
119915 (265)
t
En donde 119954120787119951119952119950 - es la peacuterdida con enfriamiento externo a la carga teacutermica
nominal del generador de vapor 119915119951119952119950 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica nominal (100) 119915 - es la productividad de vapor seco con
carga teacutermica parcial
Por otra parte informacioacuten de la paacutegina de la CONAE da informacioacuten sobre
esta peacuterdida la cual indica que para una caldera de 600 CC existe una
peacuterdida 119954120787 = 120783 120785 y para una caldera de 50 CC 119954120787 = 120785 con lo cual se
propone que la peacuterdida para la caldera de 94 CC es 119954120787 = 120784 120787
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 57
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
31 Caacutelculo teacutermico del hogar de una caldera de 94 CC quemando gas
natural a carga teacutermica 100 y presioacuten de saturacioacuten 10 bar
De la figura 210 se muestra el diagrama de caacutelculo teacutermico del hogar el cual
se realiza a partir de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) la
temperatura en la salida del hogar estaacute en funcioacuten de los paraacutemetros M
(paraacutemetro de disentildeo) el nuacutemero de Boltzman y el coeficiente de emisividad
311 Determinacioacuten del nuacutemero de Boltzman
A partir de la ecuacioacuten 25 se determina el nuacutemero de Boltzman para lo cual
se deben de calcular el consumo de combustible el calor especiacutefico
promedio y las aacutereas de las paredes en el hogar
Para el consumo de combustible (ecuacioacuten 26) requiere que se calcule el
PCI el cual se calcula haciendo uso de la ecuacioacuten 27
El consumo de combustible es calculado utilizando la ecuacioacuten 26 al conocer
que la potencia teacutermica de la caldera es de 94 CC los cuales son equivalentes
a 92214 kW
119861119888119900119898119887 =92214119882
339071198961198691198983 lowast 088
= 00309119898
119904
Para calcular el calor especiacutefico promedio se utiliza la ecuacioacuten 212 como
se muestra a continuacioacuten Considerando que la temperatura a la salida del
hogar y la entalpiacutea a la entrada del mismo son de 1000 degC y 33907 1198961198691198983
respectivamente los cuales son la temperatura propuesta para la primera
iteracioacuten y la segunda es el PCI [Anexo 1] la temperatura adiabaacutetica se
calcula a partir de la graacutefica de dependencia de temperatura entalpiacutea la cual
es la maacutexima temperatura que se alcanza dentro del hogar y corresponde al
PCI la entalpiacutea a la salida del hogar se calcula tambieacuten haciendo uso de la
graacutefica en este caso en correspondencia a los 1000 degC se tiene lo siguiente
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DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
(119888 ∙ 119881 ) =33907
119896119869
1198983minus18003 119896119869
1198983
1769degCminus1000degC=00309
119896119869
1198983deg119862
La temperatura adiabaacutetica se calcula al interpolar en la graacutefica de Entalpiacutea-
Temperatura en dependencia del PCI de la curva con α = 12 (figura 31)
Figura 31 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT hogar)
Con las aacutereas determinadas con el disentildeo realizado en el programa
Solidworks y el calor especifico promedio como el consumo de combustible
se calcula el nuacutemero de Boltzman aplicando la ecuacioacuten 25
119861119874 =(099lowast00309
119898
119904lowast2068
119896119869
1198983degC)
567lowast10minus11lowast 0614lowast93671198982lowast1769degC3=002271198983
119904
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312 Determinacioacuten del coeficiente de emisividad
Para el coeficiente de emisividad en el hogar se calcula con la ecuacioacuten 215
para lo cual se requiere calcular los coeficientes de emisividad de la flama
calculando primero el coeficiente de flama luminosa y no luminosa (ecuacioacuten
218 y 219) y los voluacutemenes de los gases para calcular estos uacuteltimos
Para el caacutelculo de los coeficientes de emisividad de la flama luminosa y no
luminosa se requiere calcular el coeficiente de debilitamiento de los gases
triatoacutemicos el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama luminosa
y el coeficiente de debilitamiento de los rayos por las partiacuteculas de holliacuten y
para el caacutelculo de estos se requiere el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases
En el Anexo 1 se encuentra el caacutelculo de los voluacutemenes de los gases los
cuales son necesarios para calcular los voluacutemenes relativos de los gases
triatoacutemicos como del agua
Posteriormente calcular los coeficientes de debilitamiento de los gases
triatoacutemico con la ecuacioacuten 221
1198963119886119905 = (78 + 16 lowast (017)
radic(10 lowast 01 lowast (0254186036) lowast 1762)minus 1) lowast (1 minus 037
1000
1000) lowast 0254 = 198
Para el caacutelculo de kholliacuten se requiere calcular previamente la relacioacuten de
carbono y de hidroacutegeno en el combustible con la ecuacioacuten 223
(119862
119867) = 012 lowast (863
1
4+ 22
2
4+ 06
2
6+ 01
3
8) = 27495
Una vez calculado este se utiliza la ecuacioacuten 222 para calcular el coeficiente
de debilitamiento de los rayos por partiacuteculas de holliacuten Considerando que
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para la primera iteracioacuten se propone una temperatura de 1000 degC a la salida
del hogar
119896ℎ119900119897119897iacute119899 =12
1 + (12)2lowast (27495)04 lowast (16 lowast 10minus3 lowast 1000 minus 05) = 11328
Con la suma de los dos paraacutemetros anteriores multiplicada por los gases
triatoacutemicos se calcula el coeficiente de debilitamiento de los rayos de la flama
luminosa con la ecuacioacuten 220
119896 = 198 lowast 0254 + 11328=1637
Mediante la ecuacioacuten 224 se calcula la el grosor de la capa de los gases que
ilumina como se muestra a continuacioacuten obteniendo los paraacutemetros
geomeacutetricos del programa Solidworks
119904 =36 lowast 45861198983
9367 1198982= 1762119898
Una vez calculado los paraacutemetros anteriores se calcula el coeficiente de
emisividad de la flama luminosa y no luminosa aplicando la ecuacioacuten 218 y
219
119886119897119906119898 = 1 minus 119890minus(1637)lowast01lowast1762 = 0253
119886119899119900 119897119906119898 = 1 minus 119890minus198lowast11328lowast01lowast1762=0086
Con 119886119897119906119898 y 119886119899119900 119897119906119898 se calcula el coeficiente de emisividad de la flama aplicando
la ecuacioacuten 217 y considerando que es gas natural
119886119897119897119886119898119886 = 01 lowast 0253 + (1 minus 01) lowast 0086=0102
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Para Ψ119901119886119903119890119889 119898119890119889119894119900 se hace uso de las ecuaciones 210 y 211 como se muestra
en la siguiente Tabla 31
Tabla 31 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de las paredes del hogar
En donde las abreviaturas de la tabla 31 corresponden al aacuterea de la pared
frontal aacuterea de la pared posterior aacuterea de la pared del lado izquierdo aacuterea
de la pared del lado derecho aacuterea del quemador y aacuterea de la ventana de
salida
Una vez obtenido estos resultados se procede a aplicar la ecuacioacuten 215
obteniendo
119886ℎ119900119892119886119903 =0102
0102 + (1 minus 0102) lowast 06141= 0157
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313 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del hogar de la caldera
acuotubular
Partiendo de la ecuacioacuten empiacuterica de Gurvich (ecuacioacuten 21) se despeja y se
calcula la temperatura a la salida del hogar con la ecuacioacuten 225 sustituyendo
lo paraacutemetros antes calculados
119879ℎ119900119892119886119903 =1769degC
036 [(56711990910minus11) lowast 119900 157 lowast 0614 lowast 93671198982 lowast (1769degC)3
099 lowast 00309119898119904 lowast 00309
119898119904
]
06
+ 1
= 95069degC
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del hogar
Posteriormente en el programa Excel se hizo una tabla de caacutelculo donde se
introdujeron todas las ecuaciones de la metodologiacutea para el caacutelculo teacutermico
en el hogar en esta tabla se muestran todos los paraacutemetros que se calculan
mediante el procedimiento y como se mencionoacute el meacutetodo es iterativo por lo
que se hacen 3 iteraciones maacutes para encontrar el valor real de la
temperatura la segunda iteracioacuten se calcula con la nueva temperatura a la
salida que se encuentra en la primera iteracioacuten
Al obtener la nueva temperatura se recalculan los paraacutemetros importantes
como el calor especifico promedio los coeficientes de emisividad y el nuacutemero
de Boltzman con estos nuevos paraacutemetros calculados obtenemos una nueva
temperatura a la salida de la caldera y de igual forma que en la segunda se
recalculan todos los paraacutemetros para obtener una tercer temperatura a la
salida de la caldera todos los paraacutemetros importantes dentro del caacutelculo se
muestran en la siguiente tabla 32 la cual son de la hoja de caacutelculo de Excel
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Tabla 32 Paraacutemetros a la salida del hogar
En la tabla 32 se muestran los resultados de la temperatura a la salida del
hogar y de acuerdo con el diagrama de caacutelculo la diferencia de temperaturas
entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5 degC el resultado es el
correcto
32 Caacutelculo teacutermico del Festoacuten de una caldera de 94 CC gas natural a carga
total (100)
Para el procedimiento del caacutelculo teacutermico del festoacuten se hizo considerando
que es un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
ecuacioacuten 227
Para la ecuacioacuten de calor transferido se debe calcular el coeficiente de
transferencia de calor global (ecuacioacuten 230) el aacuterea de transferencia
(ecuacioacuten 228) y el delta de temperatura
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321 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
Para el caacutelculo del coeficiente global transferencia de calor se hace por medio
de la ecuacioacuten 230
Para esto se debe de calcular primero el coeficiente de transferencia de calor
desde los gases hacia la pared del tubo de festoacuten (ecuacioacuten 231) el cual estaacute
en funcioacuten del coeficiente de conveccioacuten y el coeficiente de radiacioacuten
(ecuacioacuten 233 y 238 respectivamente)
Para el coeficiente de conveccioacuten se requieren calcular los paraacutemetros
geomeacutetricos asiacute como los paraacutemetros que hacen referencia al
comportamiento de los gases a una temperatura promedio en el festoacuten como
lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son calculados con apoyo de las tablas establecidas
en el libro [2] para el caacutelculo de intercambiadores de calor y la velocidad de
los gases en la seccioacuten transversal
La velocidad de los gases en la seccioacuten transversal de la caldera se calcula
con la ecuacioacuten 236 la cual requiere de paraacutemetros como el flujo de
combustible el cual ya ha sido calculado en el calcula teacutermico del hogar el
volumen de los gases es calculado en el Anexo 1 el aacuterea del paso de los
gases es la diferencia del aacuterea de la ventana de salida menos el aacuterea
ocupada por los tubos ubicados en el festoacuten dicha aacuterea fue calculada
mediante el disentildeo realizado en el programa Solidworks (seccioacuten 2131
Aacuterea del festoacuten para el paso de los gases producto de la combustioacuten) Con
esto ya es posible calcular la velocidad de los gases en la seccioacuten transversal
con la ecuacioacuten 236
w =002277
m3
s lowast 1228m3
m3 lowast (ϑ84485K
273K )
114m2= 082
m
s
Al calcular los coeficientes geomeacutetricos en dependencia del arreglo y las
distancias entre ellos (ecuacioacuten 234 y 235) se procede a calcular los
coeficientes del comportamiento de los gases a una temperatura promedio
se interpolan los valores en la tabla 21 de la literatura [2] la cual se muestra
en la tabla 33
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Tabla 33 Propiedades fiacutesicas del aire y gases de combustioacuten de composicioacuten estaacutendar [2]
Asiacute es como se obtiene el coeficiente de conveccioacuten aplicando la ecuacioacuten
233
120572119888119900119899119907 = 036 lowast 093 lowast 085 lowast0077
00508lowast (
082119898119904
lowast 00508
97 lowast 10minus5)
06
lowast 060033 = 1656119882
1198982119870
Ahora se procede a calcular el coeficiente de radiacioacuten el cual se calcula a
partir de la ecuacioacuten 238 la cual requiere los valores del coeficiente de
emisividad (ecuacioacuten 239) y a su vez este requiere el caacutelculo del espesor de
la capa que ilumina con la ecuacioacuten 240 Aplicando esta uacuteltima se obtiene
119904 =36 ∙ 3171198983
14391198982= 0794
Posteriormente se calcula el coeficiente de emisividad de los gases aplicando
la ecuacioacuten 239 considerando q 119948 y 119927 son los mismos obtenidos de los
paraacutemetros obtenidos en la tercera iteracioacuten del caacutelculo teacutermico del hogar
119886 = 1 minus 119890minus1637∙01∙0794 = 0094
Una vez calculado el coeficiente anterior se calcula el coeficiente de radiacioacuten
con la ecuacioacuten 238 considerando que la temperatura de ensuciamiento es
80degC mayor que la temperatura de saturacioacuten y que la temperatura promedio
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que es la suma de la temperatura de entrada maacutes la temperatura a la salida
del festoacuten dividida entre dos en la primera iteracioacuten se propone que se
pierdan 15 degC de la temperatura de entrada Obteniendo asiacute
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 0094 ∙ (84485119870)3 ∙
1 minus (53315 11987084485119870
)36
1 minus53315 11987084485119870
= 636119882
1198982119870
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia
la pared del tubo de festoacuten en banco de tubos lisos utilizar la ecuacioacuten 231
la cual es la sumatoria del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente de
conveccioacuten antes calculado multiplicado por el coeficiente de participacioacuten
el cual es 1 para este caso
1205721 = 1 (1656119882
1198982119870+ 636
119882
1198982119870) =248
119882
1198982119870
Utilizando la ecuacioacuten 230 se calcula el coeficiente global de transferencia
de calor
119880 = 1 lowast 248119882
1198982119870=248
119882
1198982119870
322 Obtencioacuten de la temperatura en la salida del festoacuten de la caldera
acuotubular
Una vez calculado el coeficiente global de transferencia de calor se calcula
el calor transferido a al festoacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 227
considerando que el flujo de combustible es el mismo que el ya calculado en
el hogar y que el aacuterea del festoacuten se puede calcular con la ecuacioacuten 228 o
mediante el programa Solidworks se obtiene un valor igual de preciso
haciendo uso de este uacuteltimo se obtiene
119876119879119903119886119899119904 =248
119882
1198982119870lowast2291198982lowast478119870
103lowast003091198983
119904
=87976119896119869
1198983
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Finalmente calcular la entalpiacutea a la salida del festoacuten restando la entalpiacutea a
la entrada del mismo la cual es la entalpiacutea en dependencia de la temperatura
de la salida del hogar menos el calor transferido al festoacuten Obteniendo lo
siguiente
119920119920119920 = 119920119920 minus 119876119879119903119886119899119904 = 114220247119896119869
1198983 minus87976119896119869
1198983 = 1054225119896119869
1198983
Ahora este valor se utiliza para encontrar la temperatura correspondiente
como se muestra a continuacioacuten en la figura 32
Esta temperatura corresponde con la primera iteracioacuten a la salida del festoacuten
en la caldera acuotubular
Figura 32 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT Festoacuten)
314 Iteraciones del caacutelculo teacutermico del festoacuten
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De igual forma que en el hogar se introdujo la metodologiacutea para el caacutelculo
del festoacuten en una hoja de caacutelculo de Excel con la dependencia de la entalpiacutea
se calcula la temperatura a la salida del festoacuten ya que con esta se realiza
una proacutexima iteracioacuten obteniendo una nueva temperatura promedio un
nuevo gradiente de temperatura y paraacutemetros del comportamiento de los
gases de combustioacuten con lo cual se obtendraacute una nueva entalpiacutea y
temperatura a la salida del festoacuten y asiacute sucesivamente hasta que exista una
diferencia de 5 degC entre las temperaturas de las uacuteltimas dos iteraciones En
la siguiente tabla 34 se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de
Excel
Tabla 34 Paraacutemetros a la salida del festoacuten
En la tabla 34 se muestran las temperaturas a la salida del festoacuten de
acuerdo con el diagrama para el caacutelculo teacutermico del festoacuten la diferencia de
temperaturas entre la segunda y la tercera iteracioacuten es menor a 5degC por lo
que la temperatura es la correcta
33 Caacutelculo teacutermico del banco de tubos de una caldera de 94 CC quemando
gas natural a carga total (100)
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
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El siguiente paso en el procedimiento es el caacutelculo teacutermico del banco de
tubos La metodologiacutea para el banco de tubos es similar a la del festoacuten con
ciertas particularidades que se muestran a continuacioacuten
De igual manera que en el festoacuten este caacutelculo se hizo considerando que es
un intercambiador de calor con flujo perpendicular a la superficie
331 Caacutelculo para el coeficiente global de transferencia de calor
La ecuacioacuten 248 se utiliza para calcular dicho coeficiente en la cual se
requiere calcular el coeficiente de transferencia de calor hacia la pared del
tubo y este estaacute en dependencia del coeficiente de radiacioacuten y el coeficiente
de conveccioacuten (ecuacioacuten 255 y 250)
El coeficiente de radiacioacuten requiere que primero sea calculado el coeficiente
de emisividad de la superficie radiante
Mediante los paraacutemetros obtenidos con el programa Solidworks calculamos
de igual forma que en el festoacuten el paraacutemetro 119956 y 119948 ∙ 119927 son los mismos
obtenidos en el caacutelculo del festoacuten Con estos tres paraacutemetros se calcula el
coeficiente de emisividad de la superficie radiante esto se hace con la
ecuacioacuten 256
Una vez calculado el coeficiente anterior se hace el caacutelculo del coeficiente de
radiacioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten 255
120572119903119886119889 = 567 ∙ 10minus8 ∙08 + 1
2∙ 000343 ∙ 69523 1198703 ∙
1 minus (53315 11987069523 119870)
36
1 minus53315 11987069523 119870
= 0155119882
1198982119870
Posteriormente se calcula el coeficiente de conveccioacuten para banco de tubos
lisos con un arreglo en triangulo con la ecuacioacuten 250
Habiendo calculado previamente los paraacutemetros geomeacutetricos requeridos asiacute
como los paraacutemetros que hacen referencia al comportamiento de los gases
a una temperatura promedio en el festoacuten como lo son λ 119907 y 119875119903 los cuales son
calculados con apoyo de las tablas establecidas en el libro [2] para el caacutelculo
de intercambiadores de calor
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 3 Estudio teacutermico de una caldera de 94 CC quemando gas natural a carga total (100)
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se considerando una particularidad la cual es el coeficiente de
proporcionalidad (119914) debido a que paraacutemetros como la velocidad la
temperatura y los valores de λ 119907 y 119875119903 estaacuten en dependencia de la carga
teacutermica asiacute como de la temperatura de saturacioacuten en el domo este paraacutemetro
fue calculado para cada una de las cargas teacutermicas que van de 40 a 100
y las temperaturas de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar
El procedimiento utilizado para calcular cada uno de los coeficientes C en la
ecuacioacuten 250 es proponer una temperatura aproximada a la salida de la
caldera en dependencia de la temperatura de saturacioacuten esto es proponer
que a la salida de la caldera es de aproximadamente 40 degC mayor que la
temperatura de saturacioacuten con esto podemos conocer la entalpiacutea que
requerimos a la salida para posteriormente en la ecuacioacuten 242 sustituir las
ecuaciones 228 249 y 250 respectivamente por uacuteltimo despejar el
coeficiente C que se encuentra en la ecuacioacuten 250 y asiacute obtener los
coeficientes que se muestran en la Tabla 35
Tabla 35 Coeficiente de proporcionalidad C para el caacutelculo del coeficiente de conveccioacuten
Con el caacutelculo de los paraacutemetros se hizo un promedio entre el maacuteximo y el miacutenimo
de cada carga respectivamente obteniendo los siguientes resultados mostrados en
la Tabla 36
P sat bar T sat degC 100 80 60 40
10 180 004983 004696 004297 003796
8 170 005008 004726 004327 003823
6 160 005034 004756 004356 003850
4 140 005081 004811 004409 003897
2 120 005138 004867 004463 003949
Carga teacutermica
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Tabla 36 Coeficiente de proporcionalidad C promedio
Mediantes este coeficiente ya es posible calcular el coeficiente de conveccioacuten
haciendo uso de la ecuacioacuten 250
120572119888119900119899119907 = 00506 lowast 1 lowast 093 lowast00586
00508 (
08107119898119904 lowast 00508
611563119864 minus 05)
06
∙ 0635033 = 232119882
1198982119870
Una vez obtenidos los coeficientes de radiacioacuten y conveccioacuten se calcula el
coeficiente de transferencia de calor desde los gases hacia la pared del tubo
con la ecuacioacuten 249
1205721 = 095 (232119882
1198982119870+ 0155
119882
1198982119870) = 2353
119882
1198982119870
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula por medio de la
ecuacioacuten 248 con lo cual obtenemos
119880 = 08 lowast 2353119882
1198982119870= 1882
119882
1198982119870
100 005060
80 004780
60 004380
40 003870
Carga
teacutermica
Coeficiente
C
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34 Caacutelculo teacutermico de la carcasa de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Realizando el anaacutelisis del caacutelculo teacutermico de la carcasa se tiene que el
coeficiente de radiacioacuten es el mismo tanto para el banco de tubos como para
la carcasa y considerando que el coeficiente de conveccioacuten era
aproximadamente del 75 con respecto al del banco de tubos se procede
a calcular el aacuterea de la transferencia de calor para asiacute sumarla con el aacuterea
del banco de tubos y calcular el calor transferido a ambas superficies
341 Caacutelculo de las aacutereas de transferencia de calor en la carcasa
Aplicando la ecuacioacuten 258 se obtiene el aacuterea de transferencia de la caldera
las cuales fueron calculadas a partir de los planos generados en el programa
Solidworks
119860119901119886119903119890119889119890119904 = 2(2681198982) + 22671198982 + 24681198982 + 12461198982 + 10121198982 minus 1611198982 minus 5011198982 = 6867
342 Obtencioacuten del calor transferido en el banco de tubos de una caldera
acuotubular
Ya que se ha calculado el coeficiente global de transferencia de calor se
procede a calcular el calor transferido en el banco de tubos y en la carcasa
con la ecuacioacuten 242 Considerando que el flujo de combustible es el que se
tiene calculado desde el hogar y que el aacuterea total es el aacuterea del banco de
tubos maacutes el aacuterea de la carcasa
119876119879119903119886119899119904 =188
119882
1198982119870lowast 293271198982 lowast 40416119870
103 lowast 003091198983
119904
= 723166
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343 Obtencioacuten de la temperatura a la salida de la caldera
Despejando de la ecuacioacuten 241 se obtiene la entalpiacutea despueacutes del banco de
tubos y la carcasa (salida de la caldera)
III = 1077786kJ
m3minus 723166
kJ
m3= 35462
kJ
m3
Esta entalpiacutea se utiliza para encontrar la temperatura a la salida de la caldera
como se muestra en la figura 33
Figura 33 Dependencia Entalpiacutea Temperatura para una carga total (100) a una presioacuten de 10 bar (CT
Banco de tubos y carcasa)
De esta manera se encuentra la temperatura a la salida de la caldera para la
primera iteracioacuten
344 Iteraciones para el caacutelculo teacutermico del banco de tubos y carcasa
El caacutelculo teacutermico del banco de tubos y de la carcasa se introdujo a una hoja
de caacutelculo en el programa Excel para encontrar la temperatura a la salida de
la caldera como ya se menciono es un meacutetodo iterativo ya que el siguiente
caacutelculo tendraacute una temperatura nueva a la salida asiacute como una nueva
temperatura promedio y se recalcula los paraacutemetros del comportamiento de
los gases en este caacutelculo se propone que cuando exista una diferencia de 5
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degC entre una iteracioacuten y la que le sigue el resultado seraacute exacto en la
siguiente figura se muestran los paraacutemetros obtenidos en la hoja de Excel
Tabla 37 Paraacutemetros a la salida de la caldera
En este caso la temperatura a la salida de la caldera es de 21139 degC
encontrada en la segunda iteracioacuten donde notamos que existe una diferencia
menor de 5 degC como se habiacutea mencionado en el caacutelculo
35 Caacutelculo de la eficiencia teacutermica de una caldera de 94 quemando gas
natural a carga total (100)
Una vez obtenida la temperatura a la salida de la caldera proceder a calcular
la eficiencia de la caldera para la cual requerimos calcular 1199022 y 1199025 para
posteriormente utilizar la ecuacioacuten 263 Para el caso de q2 se van a
considerar una temperatura del medio de 25degC a partir de esta obtendremos
su entalpiacutea en dependencia de la carga teacutermica de 100 obteniendo lo
siguiente con la ecuacioacuten 264
1199022 =346918
kJm3 minus 37857
kJm3
33907kJ
m3
= 00911
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Para el caacutelculo de q5 se considera un 25 para una caldera de 94 CC
considerando informacioacuten de la CONUE [16]
Obteniendo asiacute
119864119879 = 1 minus1198762
119876minus
1198765
119876= 1 minus 00911 minus 0025 = 08832 = 8835
Con este resultado obtenemos que para una carga teacutermica de 100 y un a
presioacuten de 2 bar se tiene una eficiencia teacutermica del 8832
SEPI ESIME ZACATENCO
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 77
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41 Anaacutelisis de la influencia de la carga teacutermica (40 hasta 100) y de la
presioacuten de saturacioacuten (2 bar hasta 10 bar) en la eficiencia teacutermica de
una caldera de 94 CC quemando gas natural
Los paraacutemetros que se muestran son los maacutes importantes en cada una de
las aacutereas de transferencia de calor empezando por el hogar pasando por el
festoacuten seguido de la carcasa y el banco de tubos en paralelo
En el hogar se pueden observar los paraacutemetros maacutes importantes dentro de
los cuales estaacuten los paraacutemetros con los que estaacute trabajando la caldera que
son la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten que interviene directamente
en la temperatura de saturacioacuten dentro de los tubos
Otros paraacutemetros son el calor disponible en el hogar a partir del anaacutelisis del
combustible coeficientes de emisividad y aacutereas de transferencia de calor
solo en la parte del hogar con esto se obtiene una temperatura a la salida
del hogar la cual permite conocer el calor disponible la siguiente zona de la
caldera la cual es el festoacuten que divide la zona de radiacioacuten y la de
conveccioacuten
Los paraacutemetros importantes para la zona del festoacuten son los coeficientes de
transferencia de calor por radiacioacuten y por conveccioacuten asiacute como el aacuterea de
transferencia de calor en esta zona una vez realizado el caacutelculo se obtiene
una entalpiacutea a la salida del festoacuten el cual es ahora nuestro calor disponible
en el banco de tubos y en la carcasa
En la zona de la carcasa de igual manera obtenemos un coeficiente de
transferencia de calor por radiacioacuten y otro maacutes por conveccioacuten asiacute como las
aacutereas que participan en la transferencia de calor tanto en el banco de tubos
como en la carcasa finalmente se obtiene la entalpiacutea de los gases a la salida
de la caldera con dicho paraacutemetro se puede obtener la temperatura a la
salida para conocer un paraacutemetro maacutes tangible Una vez obtenida la
temperatura a la salida de la caldera podemos hacer el anaacutelisis de la
eficiencia teacutermica de la caldera a partir de la peacuterdida 1199025 y 1199022
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411 Paraacutemetros teacutermicos de los gases en ductos de la caldera a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 41 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 42 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 10 bar CT variable)
Tabla 43 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 10 10 10 10 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 82 64 49 35 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 133 85 Wmsup2K
Qtrans 6442 5938 5589 4234 kJmsup3
Tsalida 624 555 493 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 10 10 10 10 Bar
αrad 02 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 73087 62509 52219 42661 kJmsup3
Tsalida 210 207 202 201 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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Los resultados q se muestran en la tabla 44 y en la figura 41 se tiene que a
una carga teacutermica de 100 la temperatura es de 6587 degC y se tiene una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al
salir del festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura en un
47 a 52 de una carga teacutermica de 40 hasta a una carga teacutermica de
100 respectivamente
Finalmente el cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera la
cual es la misma que a la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa es de
319 para una carga teacutermica de 100 hasta 449 para una carga teacutermica
del 40 con esto se tiene que la disminucioacuten de la temperatura de la caldera
es mayor a una carga de 100 teniendo asiacute una mejor transferencia de calor
en las superficies por las cuales circulan los gases de combustioacuten de igual
manera en la siguiente tabla y en la siguiente figura se observa que la mayor
temperatura a la salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100
que es de 21024degC y la temperatura menor a una carga teacutermica de 40 la
cual es de 20133 degC
Tabla 44 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Figura 41 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 10 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 624 555 493 427 degC
BT y Carcasa (3) 210 207 202 201 degC
Temperarura a la salida
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412 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 8 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 45 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 46 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 8 bar CT variable)
Tabla 47 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14
P domo 8 8 8 8 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 114220 104392 95220 86554 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 81 62 48 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6575 6082 5751 4391 kJmsup3
Tsalida 623 554 492 427 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 125 13 14 -
P domo 8 8 8 8 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 15 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74024 63469 53291 43736 kJmsup3
Tsalida 202 200 199 197 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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En la tabla 48 y la figura 42 se muestra la variacioacuten de la temperatura en los
ductos de la caldera y de igual forma se tiene una temperatura mayor a la
salida del hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una temperatura
menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC al pasar por el
festoacuten los gases tuvieron una disminucioacuten de la temperatura de 48 a una
carga teacutermica de 40 hasta 54 a una carga teacutermica de 100
El cambio relativo de la temperatura a la salida de la caldera es de 307
hasta 44 teniendo un menor cambio a carga teacutermica de 100 y la maacutexima
a una carga teacutermica del 40 de igual manera en la siguiente tabla y en la
siguiente figura se observa que la mayor temperatura a la salida de la caldera
se tiene a una carga teacutermica de 100 que es de 2022 degC y la temperatura
menor a una carga teacutermica de 40 la cual es de 19731 degC
Tabla 48 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Figura 42 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 8 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 492 427 degC
BT y Carcasa (3) 202 200 199 197 degC
Temperarura a la salida
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413 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 6 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 49 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 410 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 6 bar CT variable)
Tabla 411 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 6 6 6 6 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 79 61 47 34 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 182 158 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6708 6227 5913 4548 kJmsup3
Tsalida 623 554 491 426 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 6 6 6 6 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 19 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 74945 64407 54336 44774 kJmsup3
Tsalida 196 194 193 190 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
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La tabla 412 y la figura 43 se muestra las temperaturas a lo largo de la
caldera en dependencia del cambio de la carga teacutermica Se tiene una
temperatura mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y
una temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC
posteriormente al pasar los gases de combustioacuten por el festoacuten se tuvo una
disminucioacuten de la temperatura de 5 a una carga teacutermica de 40 y a carga
teacutermica de 100una disminucioacuten relativa de 55
A la salida del Banco de tubos (BT) y la carcasa se tiene una disminucioacuten
relativa de la temperatura de 297 para una carga teacutermica de 100 hasta
424 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla y en la siguiente
figura se observa que se tiene una temperatura de 19588 degC a una carga
teacutermica de 100 y una temperatura de 1901 degC a una carga teacutermica de
40
Tabla 412 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Figura 43 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 6 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 623 554 491 426 degC
BT y Carcasa (3) 196 194 193 190 degC
Temperarura a la salida
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414 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros obtenidos a una presioacuten de
saturacioacuten de 4 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 413 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 414 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 4 bar CT variable)
Tabla 415 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 4 4 4 4 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 77 59 46 32 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 6974 6515 6237 4861 kJmsup3
Tsalida 621 552 489 424 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 4 4 4 4 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 12 08 Wmsup2K
Qtrans 76765 66241 56381 46804 kJmsup3
Tsalida 189 186 184 182 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Los resultados obtenidos a una presioacuten de saturacioacuten constante de 4 bar se
muestran en la tabla 416 y en la figura 44 donde se tiene una temperatura
mayor en el hogar a una carga teacutermica de 100 de 6587 degC y una
temperatura menor en el hogar a una carga teacutermica de 40 de 4482degC la
disminucioacuten relativa de la temperatura despueacutes de pasar por el festoacuten es de
54 a una carga teacutermica de 40 hasta 57 a una carga teacutermica de 100
En comparacioacuten con la temperatura a la salida de la caldera con respecto a
la salida del festoacuten se tiene un cambio de 287 para una carga teacutermica de
100 hasta 405 para una carga teacutermica del 40 en la siguiente tabla se
observa que se tiene la mayor temperatura a la salida de la caldera a una
carga teacutermica de 100 que es de 18886 degC y que la temperatura menor es
a una carga teacutermica de 40 la cual es de 18151 degC
Tabla 416 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Figura 44 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 4 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 621 522 498 424 degC
BT y Carcasa (3) 189 186 184 182 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
415 Paraacutemetros obtenidos del procedimiento del caacutelculo teacutermico a una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
A continuacioacuten se muestran los paraacutemetros a una presioacuten de saturacioacuten de 2
bar y a carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Tabla 417 Paraacutemetros a la salida del hogar (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 418 Paraacutemetros a la salida del festoacuten (presioacuten 2 bar CT variable)
Tabla 419 Paraacutemetros a la salida del banco de tubos y carcasa (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14
P domo 2 2 2 2 Bar
Qdisp 33907 33907 33907 33907 kJmsup3
Bo 002 002 002 001
Atrans 937 937 937 937 msup2
ahogar 018 017 017 015
Tsalida 659 587 522 448 degC
Igas 11422 10439 9522 8655 kJmsup3
Parametos de caacutelculo teacutermico en el hogar
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 75 57 44 31 Wmsup2K
αconv 165 141 116 90 Wmsup2K
U 181 157 132 85 Wmsup2K
Qtrans 7240 6804 6560 5174 kJmsup3
Tsalida 620 551 488 423 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el feston
Carga teacutermica 100 80 60 40
Exceso de aire 12 13 13 14 -
P domo 2 2 2 2 Bar
αrad 01 01 01 01 Wmsup2K
αconv 23 19 14 10 Wmsup2K
U 18 15 11 08 Wmsup2K
Qtrans 78308 67979 58319 48616 kJmsup3
Tsalida 186 181 179 176 degC
Parametos de caacutelculo teacutermico en el banco de tubos y carcasa
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Para la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar se muestran las temperaturas a la
salida de la caldera y en la superficies de calentamiento (tabla 420 y figura
45) aquiacute se tiene que a una carga teacutermica de 100 la temperatura a la salida
del hogar es de 6587 degC a una carga teacutermica de 40 la temperatura es de
4482degC a la salida del festoacuten se tiene una disminucioacuten de la temperatura de
57 a una carga teacutermica de 40 hasta 59 a una carga teacutermica de 100
Los resultados de la temperatura que se obtienen a la salida de la caldera
para una carga teacutermica de 100 de una disminucioacuten de 282 hasta 393
para una carga teacutermica del 40 de igual forma que a mayor presioacuten de
saturacioacuten la temperatura de la caldera es mayor a una carga de 100
finalmente en la siguiente tabla se muestra que la mayor temperatura a la
salida de la caldera se tiene a una carga teacutermica de 100 (1859 degC) y la
temperatura menor a una carga teacutermica de 40 (17611 degC)
Tabla 420 Temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Figura 45 Graacutefica de la temperatura en la salida de los ductos de calentamiento (presioacuten 2 bar CT variable)
Carga teacutermica 100 80 60 40
Hogar (1) 659 587 522 448 degC
Festoacuten (2) 620 551 488 423 degC
BT y Carcasa (3) 186 181 179 176 degC
Temperarura a la salida
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
416 Comparativo de la temperatura a la salida de la caldera a carga teacutermica de
40 hasta 100 y presioacuten de saturacioacuten de 2 bar hasta 10 bar
Con los resultados obtenidos podemos hacer un comparativo de la
temperatura obtenida a la salida de la caldera en dependencia de la carga
teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten (tabla 421) en la cual se observa que se
tiene una temperatura de 21024 degC a una carga maacutexima y una presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar y con una misma carga teacutermica y una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 1859 degC a la carga teacutermica
miacutenima analizada de 40 y una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar se tiene
una temperatura de 20133 degC y con la misma carga teacutermica y una presioacuten
de saturacioacuten de 2 bar se tiene una temperatura de 17611 degC esto indica
que a menor presioacuten de saturacioacuten menor seraacute la temperatura a la salida de
la caldera
Como ya fue mencionado la temperatura a carga de 100 y presioacuten de
saturacioacuten de 10 bar es de 21024 degC y a la misma presioacuten pero a carga
teacutermica de 40 se tiene una temperatura de 20133 degC a la presioacuten de 2
bar de saturacioacuten con una carga teacutermica de 100 se tiene una temperatura
de 1859 degC y a la misma presioacuten pero a carga teacutermica de 40 se tiene una
temperatura de 17611 degC esto indica que a menor carga teacutermica la
temperatura a la salida de la caldera disminuye Tambieacuten se encuentran las
curvas caracteriacutesticas de estas dependencias (figura 46) en las cuales
tambieacuten se encuentran las liacuteneas de tendencia para cada una de las curvas
las cuales representan un cambio ideal en la temperatura de la salida de la
caldera en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 421 Temperatura a la salida de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
Figura 4 6 Graacutefica de la temperatura a la salida de la caldera en dependencia de la presioacuten de saturacioacuten
y la carga teacutermica
CT 2 4 6 8 10
100 186 189 196 202 210
80 181 186 194 200 207
60 179 184 193 199 202
40 176 182 190 197 201
TEMPERATURA degcPresioacuten de saturacioacuten Bar
bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
42 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea en los gases de escape
(119954120784)
La peacuterdida de calor con gases de escape se calcula como la diferencia de
entalpiacuteas de gases de escape en la salida de generador de vapor y de
entalpiacutea de aire frio de medio ambiente (ecuacioacuten 264) esta ecuacioacuten fue
introducida en la hoja de caacutelculo de Excel obteniendo la peacuterdida a cargas
teacutermicas de 40 60 80 y 100 asiacute como a presiones de saturacioacuten de
2 bar 4 bar 6 bar 8 bar y 10 bar Los resultados obtenidos se muestran en
la tabla 422 y en la figura 47 se muestran las curvas caracteriacutesticas de la
peacuterdida 1199022 En la tabla se puede observar que a mayor carga teacutermica y menor
presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es menor (791) y a menor carga teacutermica
y mayor presioacuten de saturacioacuten la peacuterdida es mayor (1003)
Tabla 422 Peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
Figura 47 Graacutefica de la peacuterdida 119954120784 en dependencia de la carga teacutermica y la presioacuten de saturacioacuten
CT 2 4 6 8 10
100 79 81 84 87 90
80 80 82 86 89 92
60 82 84 89 92 95
40 86 89 94 98 100
PEacuteRDIDA q2
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
43 Anaacutelisis del cambio en la peacuterdida de energiacutea debido al enfriamiento
de la caldera por radiacioacuten y conveccioacuten (119954120787)
La peacuterdida 1199025 es la energiacutea peacuterdida por las paredes de caldera al medio
ambiente por conveccioacuten y radiacioacuten esta depende de la potencia nominal
de la caldera y de la carga teacutermica Esta peacuterdida no cambia con la carga
teacutermica de la caldera pero si cambia la potencia generada por la caldera la
peacuterdida relativa 1199025 =1198765
1198761 con el incremento de la carga teacutermica (1198761) estaacute
peacuterdida crece proporcionalmente En las calderas de menor potencia el
porcentaje de peacuterdida por radiacioacuten puede variar desde 13 para una
caldera de 600 CC y hasta 3 para una caldera de 50 CC Es por eso que
se considera que la peacuterdida a una carga teacutermica del 100 un valor de25
y se recalculan para las demaacutes cargas como se muestra en la tabla 423 [16]
Tabla 423 Peacuterdida 119954120787
a una carga teacutermica de 40 60 80 y 100
Figura 4 8 Graacutefica de la peacuterdida 119954120787 en dependencia de la carga teacutermica
CT 40 60 80 100
q5 63 42 31 25
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
44 Anaacutelisis del cambio de la eficiencia teacutermica en una caldera de 94 CC
Al considerar la peacuterdida q5 (tabla 423) y sumada a la peacuterdida q2 (tabla 422)
se tiene la peacuterdida total con esta se obtiene una dependencia de la eficiencia
teacutermica (E T) con relacioacuten presioacuten de saturacioacuten (PS)
La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 100 cambia desde 8847 a una
presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8959 a una presioacuten de saturacioacuten
de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 80 cambia desde 8769
a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 889 a una presioacuten de
saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 60 cambia
desde 8637 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8765 a una
presioacuten de saturacioacuten de 2 bar La eficiencia teacutermica a carga teacutermica de 40
cambia desde 8372 a una presioacuten de saturacioacuten de 10 bar hasta 8511
a una presioacuten de saturacioacuten de 2 bar analizando se tiene una mayor
eficiencia a menor presioacuten de saturacioacuten y mayor carga teacutermica como se
muestra en la tabla 424 y figura 48
Tabla 424 Eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
CT 2 4 6 8 10
100 896 894 891 888 885
80 889 887 882 879 877
60 876 874 869 866 864
40 851 848 843 839 837
EFICIENCIA
Presioacuten de saturacioacuten Bar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Figura 4 9 Graacutefica de la dependencia de la eficiencia teacutermica de la caldera a diferentes presiones de
saturacioacuten y distintas cargas teacutermicas
SEPI ESIME ZACATENCO Conclusiones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 95
Conclusiones
Se realizoacute la caracterizacioacuten teacutermica de una caldera teniendo como primer
paso desarrollar planos en el programa Solidworks para conocer las aacutereas
de calentamiento en la caldera para despueacutes desarrollar el procedimiento
del caacutelculo para una caldera acuotubular de 94 CC quemando gas natural el
cual es posible utilizar para otros combustibles todo el procedimiento se
introdujo en Excel para obtener resultados maacutes raacutepidos y exactos Se obtuvo
la temperatura a la salida de la caldera asiacute como su eficiencia en
dependencia de la carga teacutermica y de la temperatura de saturacioacuten
Se obtuvo el cambio que tiene la temperatura a la salida de la caldera en
dependencia de la carga teacutermica y la temperatura de saturacioacuten primero se
obtuvo en dependencia del cambio de carga teacutermica y permaneciendo
constante la presioacuten de saturacioacuten a 10 bar obteniendo una temperatura de
21024 degC a 100 y disminuye un 175 a una carga teacutermica de 80
teniendo 20656 degC a 60 disminuye 368 con respecto a la temperatura
maacutexima teniendo 2025 degC y a 40 disminuye 423 teniendo una
temperatura de 20133 degC
De igual manera se obtuvo la eficiencia de la caldera con distintas cargas se
tiene una eficiencia maacutes alta a una mayor carga teacutermica y menor presioacuten de
saturacioacuten la cual es de 8959 y una eficiencia maacutes baja a menor carga
teacutermica y mayor presioacuten de saturacioacuten la cual fue a una carga de 40
obteniendo una eficiencia de 8372
Los resultados que se obtienen al realizar el estudio teacutermico para encontrar
la temperatura y la eficiencia teacutermica en dependencia del cambio de la
presioacuten de saturacioacuten y permaneciendo constante la carga teacutermica de 100
se encuentra que la temperatura maacutexima es de 21024 degC a una presioacuten de
10 bar y una eficiencia de 8736 a una presioacuten de 8 bar se tiene una
eficiencia de 8779 a 6 bar se tiene una eficiencia de 891 a 4 bar se
tiene una eficiencia de 8945 y a 2 bar la eficiencia es de 8959
Con esto se concluye que a mayor carga teacutermica asiacute como a menor
temperatura de saturacioacuten aumenta la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC Con lo anterior podemos considerar que los mejores
paraacutemetros para operar la caldera sean entre 80 y 100 asiacute como una
presioacuten de 2 bar hasta 4 bar en donde la eficiencia teacutermica puede variar
SEPI ESIME ZACATENCO Capiacutetulo 4 Anaacutelisis al modificar la carga teacutermica y presioacuten en el domo
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
hasta 1 entre estos paraacutemetros y operar con carga teacutermica de 40 se
puede tener una peacuterdida de hasta 3 con respecto a la eficiencia teacutermica
maacutexima de la caldera Cabe sentildealar que el procedimiento del caacutelculo puede
ser aplicado a calderas del tipo acuotubular considerando paraacutemetros
esenciales como la composicioacuten del combustible como las aacutereas de
calentamiento en la caldera
Este anaacutelisis demuestra que la temperatura de saturacioacuten y la carga teacutermica
influyen significativamente en la eficiencia teacutermica
El presente trabajo puede determinar la eficiencia teacutermica de la caldera
acuotubular de 94 CC en condiciones de cambio de la carga teacutermica de 40
hasta 100 y la presioacuten de saturacioacuten de 2 bar a 10 bar A diferencia del
manual de Cleaver Brooks que no presenta esta informacioacuten que es muy
importante para los usuarios de la caldera
SEPI ESIME ZACATENCO Recomendaciones
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 97
Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio para la recuperacioacuten de energiacutea por los
gases de combustioacuten aplicando un precalentador de aire para aprovecharla
e influenciar directamente en el aumento de la eficiencia teacutermica de la
caldera y asiacute disminuir el consumo de combustible
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 98
Bibliografiacutea
[1] Bezgreshnov AN Lipov Yu M and Shleyfer BM Calculation of steam
boilers Moscow Energoatomizdat 1991
[2] E Pismenny G Polupan I Carvajal Mariscal F Saacutenchez Silva and I
Pioro Handbook for transversely finned tubs heat exchanger design
Elsevier Academic Press ISBN 978-0-12-804397-4 201 p 2016
[3] Industrial watertube boilers Cleaver Brooks copy Cleaver-Brooks Division
Aqua-Chem Inc USA 2015
[4] Franz E Tuffner M Informe Teacutecnico Comparativa de caldera pirotubular
y caldera acuotubular Bosch Industriekessek GmbH pp 1-4
[5] Rodriacuteguez R Gaca J Diacuteaz L Palmerin M Melgarejo L Factores de
emisioacuten para los diferentes tipos de combustibles foacutesiles que se
consumen en Meacutexico Instituto Mexicano del Petroacuteleo pp 14-18 2014
[6] Cengel Y amp Boles M Termodinaacutemica Octava edicion Editorial Mc Graw
Hill Education ISBN 978-607-15-0743-3 20151002p
[7] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio termodinaacutemico de una
caldera industrial de tipo acuotubular marca Cleaver Brooks 94 CC
quemando gas natural y dieacutesel Memorias del XXXI Congreso Nacional
de Termodinaacutemica Durango Dgo 5-9 de septiembre de 2016 pp 313-
321
[8] G Jarquin G Polupan A Saacutenchez Flores A Saacutenchez ldquoRivera B
Vaacutezquez Beniacutetez Caacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los
productos de la combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleo Memorias
del 6o Congreso Nacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas
del 27 al 30 de Noviembre del 2001 Meacutexico
[9] Miranda A Oliver R 1996 Combustioacuten Espantildea Editorial Gersa
[10] Basu P Kefa C amp Jestin L (2000) Boilers and Burners New York
Springer
[11] httpfilespfernandezdiezesCentralesTermicasPDFs04CTpdf
[12] Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Agustiacuten Huerta Francisco Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Particularidades del caacutelculo
teacutermico en superficies convectivas de una caldera industrial de tipo
acuotubular quemando gas natural Memorias del VIII Congreso
Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de
Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-74
[13] Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez Hernaacutendez Alan Irving Gaona
Alcantar Diego Aacutengel Georgiy Polupan Estudio de la contaminacioacuten de
una caldera industrial marca Cleaver Brooks de 94CC quemando dieacutesel
y gas natural Memorias del VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea
SEPI ESIME ZACATENCO Bibliografiacutea
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Electromecaacutenica y de Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de
Octubre IM-80
[14] Gaona Alcantar Diego Aacutengel Agustiacuten Huerta Francisco Domiacutenguez
Hernaacutendez Alan Irving Georgiy Polupan Increase efficiency of a boiler
termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas natural Memorias del
VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico de 17 a 21 de Octubre IM-90
[15] Armando Zapieacuten Tapia Anaacutelisis teacutermico de los tubos del recalentador
de vapor de la unidad 2 de 350 MW de la C T Pdte Plutarco Eliacuteas Calles
Tesis para obtener el grado de maestro en ciencias en Ingenieriacutea
Mecaacutenica Marzo del 2011
[16] wwwconaegobmxDirecciondeenlaceyprogramasregionalesApoyo
asectorprivadomayo2007V11221p fecha de consulta 5Ago16
[17] httpswwwsogecalcomcaldera-pirotubular fecha de consulta
8Sep16
[18] httpssitesdukeedumissiontomarsthe-missionradiationwhat-is-
radiation fecha de consulta 9Sep16
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN IRVING 100
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 1 Caacutelculo de paraacutemetros termodinaacutemicos de los productos de
combustioacuten de gas natural en una caldera industrial
Utilizando la metodologiacutea para el caacutelculo de las caracteriacutesticas
termodinaacutemicas de los productos de la combustioacuten del gas natural y del
combustoacuteleo [8] se obtuvieron los siguientes resultados a partir de introducir
la metodologiacutea a una hoja de caacutelculo de Excel
La composicioacuten del gas natural en Meacutexico es muy variada asiacute que es
propuesta la siguiente composicioacuten del gas natural
Tabla 1 Composicioacuten del gas natural
Cabe sentildealar que este caacutelculo puede ser realizado a distintas composiciones
del gas natural
Del ldquoCaacutelculo de las caracteriacutesticas termodinaacutemicas de los productos de la
combustioacuten del gas natural y del combustoacuteleordquo [8] se calcula el PCI
Tabla 2 Calculo del poder caloriacutefico inferior
Compuesto PCI
CH4 863 35880 3096400
H2 108 10790 116500
C2H4 22 59060 129900
C2H6 06 64360 38600
C3H8 01 93180 9300
Σ 3390700
PCI 33907
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Se obtienen los voluacutemenes de los gases al quemar 1m3 de gas natural con
el uso de la tabla de Excel
Tabla 3 Volumen total de los gases y del agua
Tabla 4 Volumen de los gases
Una vez obtenidos estos paraacutemetros se calcula la dependencia de entalpiacutea
con respecto a la temperatura obteniendo asiacute una tabla y una graacutefica para
permitir la interpolacioacuten para cualquier valor dentro del rango de 100 degC a
2800 degC
Figura 1 Graacutefica de la dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
α₃=12 α₄=125 α₅=13 α₆=14
VR₂ 882161 92671 971268 10604
VH₂O 208456 20917 20989 21132
Vgas 118282 12281 127336 13639
V⁰ 891072
VRO₂ 0922
V⁰N₂ 703947
V⁰H₂O 205586
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Tabla 5 Dependencia de entalpiacutea temperatura a distintas cargas teacutermicas
T ordmC
I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire I=Iordmgas+Iexaire
100 162859 168661 174462 186065
200 329528 341205 352883 376238
300 499378 517005 534632 569886
400 673135 696863 720590 768045
500 850393 880333 910273 970153
600 1032734 1068996 1105258 1177783
700 1219200 1262029 1304859 1390519
800 1409555 1458949 1508343 1607131
900 1603891 1659964 1716038 1828185
1000 1800313 1863178 1926043 2051773
1100 2000773 2070537 2140302 2279830
1200 2204420 2281200 2357980 2511541
1300 2406480 2490140 2573799 2741117
1400 2615389 2706008 2796626 2977863
1500 2822628 2920562 3018495 3214361
1600 3032760 3137821 3242882 3453004
1700 3244189 3356445 3468701 3693213
1800 3456713 3575909 3695105 3933497
1900 3666097 3792626 3919155 4172213
2000 3883331 4016893 4150456 4417582
2100 4103671 4244688 4385706 4667740
2200 4316471 4464616 4612760 4909049
2300 4537560 4692868 4848177 5158794
2400 4753836 4916346 5078856 5403876
2500 4970446 5140652 5310857 5651269
2600 5196564 5374076 5551588 5906612
2700 5415495 5600340 5785185 6154875
2800 5637149 5829351 6021553 6405958
α=14α=12 α=125 α=13
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
SUPERIOR CORTE HORIZONTAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
FRONTAL CORTE VERTICAL
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA FRONTAL
CORTE VERTICAL HILERA PAR
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR VISTA
POSTERIOR CORTE VERTICAL UacuteLTIMA
HILERA
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
CALDERA ACUOTUBULAR FESTOacuteN
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 3 Participaciones en congresos
Anexo 31 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Particularidades del caacutelculo teacutermico en superficies convectivas de una caldera
industrial de tipo acuotubular quemando gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 32 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Increase efficiency of a boiler termal industrial aquatubular of 94 CC burning gas
natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 33 VIII Congreso Internacional de Ingenieriacutea Electromecaacutenica y de
Sistemas Ciudad de Meacutexico
Estudio de la contaminacioacuten de una caldera industrial marca Cleaver Brooks de
94CC quemando dieacutesel y gas natural
SEPI ESIME ZACATENCO Anexos
DOMIacuteNGUEZ HERNAacuteNDEZ ALAN
Anexo 34 Congreso Nacional de Termodinaacutemica Durango
Estudio termodinaacutemico de una caldera industrial de tipo acuotubular marca
Cleaver Brooks 94 CC quemando gas natural
