Laboratorio de generador de vapor

GENERADOR DE VAPOR

1. OBJETIVO.

Realizar un balance térmico del generador de vapor; así como hacer un estudio de su performance considerando la importancia de este elemento en el Sector Industrial y Plantas Generadoras de Energía Eléctrica, teniendo en cuenta que del diagnóstico dependen las medidas a tomar con miras hacia un buen y eficiente funcionamiento de la unidad.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO.

Un grupo productor de vapor de agua es una combinación de aparatos que pueden constar de cualquiera o todos los siguientes: calderas, vapor, equipo de quemadores o el necesario para quemar el combustible, cámaras de agua, purificador de vapor, recalentador, atemperador (dispositivo para controlar la temperatura del vapor), economizador y calentador de aire.

Las calderas antiguas solamente podían trabajar a presiones muy bajas (presiones relativas de 0,7 a 0,25 kg/cm2), a causas de su forma como materiales y posibilidades constructivas. Las instalaciones industriales suelen emplear a baja presión relativas menores de 21 kg/cm2, y en muchos casos el vapor a baja presiones se utiliza para calefacción y en distintos procesos de fabricación.

Un constructor de calderas cita, entre las suministradas recientemente por él para instalaciones de utilidad publica, calderas que trabajan a presiones relativas comprendidas entre 66 y 145 kg/cm2. De esta la más grande produce 544800 kg de vapor por hora a una presión relativa de 145 kg/cm2, y una temperatura de 537°C, pudiendo producir a esta temperatura vapor recalentado; la caldera de presión mas baja produce, en cambio, 272400 de vapor por hora a 66,5 kg/cm2 de presión relativa y a una temperatura total de 482°C. La tendencia general de hoy en día es instalar una caldera por turbina. En la actualidad se esta construyendo una caldera capaz de producir 635000 kg de vapor por hora, que presenta la capacidad máxima conseguida asta el presente en cuanto a la presión, la máxima corresponde a una central de construcción cuya caldera trabajara una presión relativa de 315 kg/cm2, si bien la tendencia actual es no pasar de 164,5 kg/cm2 y una temperatura del total del vapor de 592°C, recalentado a partir de 565°C.

La máxima temperatura total del vapor corresponde a una caldera que se esta instalando y es de 649°C. En la porción del diagrama de Mollier, correspondiente a las

presiones más elevadas, se observa de un aumento de 55°C en la temperatura de vapor produce más energía útil por kg de vapor que aumentando la presión absoluta de este en 7 kg/cm2.

CLASIFICACIÓN DE CALDERAS.- Las calderas de vapor se clasifican, atendiendo a la posición relativa de los gases calientes y del agua, en acuotubulares y pirotubulares; por las formas de los tubos, de tubos rectos y de tubos curvados; y por la naturaleza del servicio que presentan, en fijas, portátiles, locomóviles y marinas. La elección de una caldera para un servicio determinado depende del combustible de que se disponga tipo de servicio, capacidad de producción de vapor requerida, duración probable de la instalación, y de otros factores de carácter económico.

CALDERAS PIROTUBULARES

En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeado de agua. Las calderas pirotubulares pequeñas, juntos con las maquinas de vapor correspondiente, han sido desplazadas en su mayoría por los motores de combustión interna en la producción de energía destinada al accionamiento de hormigoneras, grúas portátiles y grupos para extinción de incendios. Las calderas pirotubulares generalmente tienen un lugar integral (dominado caja de fuego) limitado por superficies enfriadas por agua. En la actualidad las calderas pirotubulares horizontales con hogar integral se utilizan en instalaciones de calefacción a baja presión, y algunos tipos mas grandes para producir vapor a presión relativamente baja destinado a calefacción y a producción de energía.

CALDERAS ACUOTUBULARES

En las calderas acuotubulares, por el interior de los tubos pasa agua o vapor, y los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa de aquellos en contraste con el tipo pirotubulares descrito el párrafo 101. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi efusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones son de tracción de compresión, como ocurre en los pirotubos la limpieza de las calderas acuotubulares se lleva acabo finalmente por que las escamas o incrustaciones se quitan sin dificultad utilizando un dispositivo limpia tubos movido con agua o aire. Los objetivos perseguidos a construir una caldera cualquiera son: coste reducido, formas simples de los tubos, compacidad, accesibilidad transmisión eficiente del calor, buena circulación y elevada capacidad de conducción de vapor. Esta amplitud de miras ha dado como resultado muchos diseños y modificaciones de la caldera acuotubular, tales de tubos rectos, tubos curvos, de un solo cuerpo cilíndrico, de varios cuerpos, longitudinal y de cuerpo transversal.

Las calderas de tubo recto tienen la ventaja de que todos los tubos principales son iguales y solamente se necesita pocas especiales.

Tienen, en cambio, el conveniente de que los tubos rectos terminan en colectores cuyas paredes deben estar a escuadra con línea central de los tubos.

Esta disposición es necesaria para que las juntas del vapor se puedan hacer ensanchando los extremos de los tubos contra las paredes de los colectores.

El acceso de los tubos para fines de limpieza o reposición se consigue mediante tapas desmontables en cada extremo de los mismos. Los orificios de los colectores son generalmente elípticos para que las tapas mencionadas puedan introducir entre ellos, que dando en posición normal por la presión del vapor ejercida desde el interior de los colectores.

GENERADORES DE VAPOR MARINOS

El agua de alimentación pasa por el economizador (recuperador) y de este a la tubería de distribución situada en el fondo del cuerpo cilíndrico superior. Los tubos de circulación conducen el agua hacia abajo por la parte externa del hogar hasta los cuerpos cilíndricos inferiores, y, a medida que se genera el vapor en la batería principal de tubos, el agua sube para reemplazarlo. El vapor saturado sale por la tubería denominada <<seca>> y entra en el recalentador situado a un extremo de la caldera. El grado de recalentamiento se puede controlar con exactitud regulando la marcha de los quemadores del recalentador. En cualquier marcha de funcionamiento se puede obtener simultáneamente vapor saturado y vapor recalentado.

CALDERAS DE VAPOR CON CIRCULACIÓN FORZADA

Cuando en una caldera se reemplaza la circulación por gravedad por circulación forzada, el diámetro de los tubos pueden reducirse, el circulo de los tubos alargarse, y disminuirse el espesor de sus paredes para una presión dada. Los tubos pueden disponerse a modo de serpentín continuo, formando el revestimiento del hogar. DE esta manera se mejora la transmisión del calor, el espacio requerido se reduce al mínimo y los colectores y cuerpos cilíndricos quedan suprimidos. En las calderas Benson y Sulzer, las cuales emplean la circulación forzada, el agua entra por un extremo de los tubos y sale en forma de vapor por el otro extremo.Normalmente trabajan a una presión relativa próxima a 140 kg/cm2 y requieren aparatos de control sensibles exactos para regular la marcha de la combustión y la de la circulación del agua, con el fin de obtener vapor del grado de recalentamiento deseado.

CALDERAS QUE TRABAJAN CON CALOR PERDIDO

En muchas industrias los gases de escape de algunos procesos de fabricación contienen suficiente calor para abastecer de vapor a dichas industrias. Los gases de

escape de los motores de combustión interna salen a una temperatura comprendida entre 149 y 426°C, la cual depende de la carga y del tipo del motor (2 o 4 tiempos). Las columnas destiladoras de las refinerías de petróleo descargan continuamente gases de temperaturas de 482 y 537°C, y los hornos Siemens para producir acero, de 649 a 705°C. La energía poseída por los gases pueden ser absorbida por intercambiadores de calor situados en su camino, y utilizándose tanto los de pirotubos como los de acuotubos.

CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE VAPOR DE LAS CALDERAS

La producción de un generador de vapor se da frecuentemente en kilogramos de vapor por hora, pero como quiera que el vapor a distintas presiones y temperaturas posee diferentes cantidades de energía, aquel sistema no mide exactamente la energía producida. La capacidad de una caldera de vapor se expresa mas concretamente en forma del calor total transmitido por las superficies de caldeo en kcal por hora. Debido que este vapor numéricamente es grande, la ASME recomienda como unidad la kilo Btu (1000 Btu = 254 kcal) por hora, o la mega Btu (1 000 000 Btu = 254 000 kcal) por hora. El proceso de transmisión de calor que tiene ocasión en un generador de vapor es un proceso de flujo constante, en el cual el calor transmitido es igual a la variación de la entalpía del fluido.

Por consiguiente, la producción de la caldera medida por el calor absorbido por el agua y vapor será, en kilocalorías:

En donde:

Q = producción de la caldera.ms = peso del vapor producido por la caldera (o bien recalentado), en (kg/hr).h = entalpía de 1 kg de vapor a la presión y titulo o temperatura observados en (kcal/kg).hf = entalpía del líquido de 1 kg de agua de alimentación en las condiciones en que dicha agua llega a la caldera (o economizador), en (kcal/kg).

Cuando el peso de vapor ms es la cantidad máxima que la caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo especificada, la formula anterior da la capacidad máxima. Pero si ms representa el peso de vapor que la caldera puede producir con más eficiencia, la producción correspondiente se denomina capacidad normal.

La potencia en HP de caldera, tal como fue establecida en 1889 por la ASME, estaba basada en una maquina de vapor que empleaba 30 lb (13,62 kg) de vapor por HP hora

Q = ms ( h - h f ) kcal / hr

a una presión relativa de 4.9 kg/cm2 y con el agua de alimentación de la caldera a 38,5 °C. Esto corresponde a la vaporización de 15,66 kg de agua por hora 100 °C en vapor seco a 100 °C, la presión atmosférica normal (1,033 kg/cm2). en esta condición cada kg de vapor producido requiere la entalpía de vaporización a la presión atmosférica normal la cual vale 543,4 kcal. Por consiguiente la capacidad de una caldera podrá expresarse de la siguiente forma:

En donde ms, h y hf tiene el mismo significado de la formula anterior. Aun que el termino <<HP de caldera>> no se considera actualmente como una unidad aceptable de capacidad de caldera, el hecho de haberse empleado durante muchos años exigen que el técnico conozca su significado y limitaciones.

COMPORTAMIENTO DE LA CALDERA.-El comportamiento de un generador de vapor puede expresarse en función de los kg de vapor producido, velocidad de combustión, transmisión de calor kcal por m2 de superficie de caldeo y por hora, temperatura de los gases de la chimenea, porcentaje de CO2 en dichos gases, combustibles sin quemar contenido de las cenizas y escorias, porcentaje de la potencia nominal de la caldera desarrollo y rendimiento global.El rendimiento global de una caldera de vapor en condiciones de funcionamiento cualesquiera es la relación entre el calor transmitido en la energía suministrada en forma de combustible, es decir:

En donde:eb = rendimiento del generador de vapor, en %, incluyendo caldera, recalentador, hogar, camisas de agua, calentador de aire y economizador.mf = peso total de combustible quemado por hora, en kg; m3 por hora tratándose combustible gaseoso.F = potencia calorífica superior de combustible quemado, en kcal por kg; kcal por m3

tratándose de combustible gaseoso.

ACCESORIOS DE LAS CALDERAS

HP de caldera = ms ( h - hf )543,4 * 15,66

eb = ms ( h - h f )

mf * F * 100

Los accesorios que generalmente llevan las calderas son: manómetros, nivel de agua, regulador del agua, de alimentación, válvulas de seguridad, tapones fusibles, purgadores, sopladores de hollin, indicadores de tiro y aparato de control.

Las calderas (especialmente los pirotubulares) que trabajan a una presión relativa inferior a 16 kg/cm2 están, por la regular, protegidas por tapones fusibles. Estos consisten en manguitos de acero o bronce rellenados de una aleación de estaño que funde aproximadamente a 232 0C, i se incierta en el cuerpo cilíndrico de la caldera a la altura del nivel del agua mínimo permisible según el reglamento de calderas de la ASME. El punto de efusión del estaño es superior a la temperatura del vapor, e inferior a la temperatura de los gases calientes. El extremo pequeño del tapón esta en contacto con los productos de la combustión; cuando el nivel del agua es lo suficientemente bajo para dejar descubierto el tapón, la aleación se funde y el vapor se escapa por el agujero. De esta manera se impide la presión de la caldera se haga excesiva, y, por otra parte el escape del vapor atrae la tensión del vigilante y puede adoptarse las precauciones oportunas para evitar que se recaliente el metal de la caldera.

Los purgadores, van en la parte más baja de la caldera y algunas veces también en el cuerpo cilíndrico; se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera de los lodos, sedimento y espumas. Las impurezas de las grandes cantidades de agua vaporizadas se van precipitando constantemente. En ocasiones se emplea un purgado (por el fondo) continuo, por medio de un tubo pequeño para sacar las impurezas a medida que se precipitan. No obstante, cuando se sigue este procedimiento, los purgadores grandes hay que abrirlos de vez en cuando para sacar más completamente los acumulados.

Las impurezas del agua de alimentación se combinan mecánica y químicamente durante el funcionamiento de la caldera para formar la capa de incrustación sobre la superficie de caldeo.Las perdidas caloríficas ocasionadas por las incrustaciones de las calderas varían con las temperaturas y los caudales de los gases y del agua. Se ha demostrado experimentalmente que una incrustación 1,6 mm de espesor produce una perdida de conductibilidad de 12% en los tubos de las calderas(hileras mas bajas) situado cerca del hogar. Las incrustaciones pueden ocasionar recalentamiento locales, los cuales se traducen en peligrosas deformaciones y erosiones que deteriora peligrosamente los tubos y planchas.

En todas las calderas que se trabajan con agua sin destilar se necesita utilizar periódicamente los limpia tubos mecánicos para quitar una forma eficiente la incrustación depositada sobre la superficie de los tubos. Los limpia tubos mecánicos son de 2 clases: (1) de tipo vibratorio que desprende la incrustación por medio de golpes rápido y que son aplicables a las calderas acuotubulares y a las pirotubulares, y (2) de tipo de fresa giratoria, los cuales abarcan la incrustacion por medio de una

herramienta cortante rotativa y que solamente se emplea en las calderas acuotubulares.

Así como la incrustacion se deposita sobre superficie de caldeo bañadas por agua, el hollin se acumula sobre la cara expuesta a los gases que van a la chimenea. El hollin esta formada por toda la materia sólida que abandona el lecho de combustible y es arrastrada por los productos gaseosos de la combustión. Se ha demostrado experimentalmente que el hollin es un excelente aislante de calor el cual produce una disminución de la conductibilidad calorífica del 25% para espesores de 1,5mm. Las superficies de las calderas en un contacto con los gases de la combustión se limpian normalmente por medio de lanzas de vapor movidas a mano, con sopladores de hollin, cepillos o dispositivos similares. Los sopladores de hollin están instalados en las calderas permanentemente y situado de manera que toda la superficie de caldeo sometidas a la acumulación de hollin puedan limpiarse con chorros de vapor, aire o una mezcla de aire y vapor. Los sopladores de hollin están construidos para girar en un sentido estirado una cadena; los chorros barren el arco de soplado una vez cada revolución. El emplazamiento en los sopladores de hollin instalados en la central térmica Joppa. Estos sopladores automáticos funcionan correlativamente, en consonancia con la trayectoria de los productos de la combustión con el fin de arrastrar las cenizas volantes del hogar. Para el control automático y como medio de soplado se emplea el aire comprimido. El control total se ejerce desde un panel situado en la sala de maniobra. Las altas temperaturas reinante en determinadas zonas exigen que los tubos sopladores de hollin sean retirados del hogar cuando no se utilizan.

Pre calibración de los instrumentos y controles

Los elementos indicadores tales como los de presión, temperatura, nivel y flujo, elementos importantes en un caldero, debe tener un efectivo y correcto funcionamiento a fin de asegurar una operación normal y control de las limitaciones de diseño del mismo.

Este efectivo funcionamiento de los indicadores se logra con la calibración o sea su contrastación con medidores patrones para de esta manera saber el error que se esta cometiendo al hacer la lectura a un indicador de caldero tales como los mencionados anteriormente.

Equipo auxiliar

Este equipo constituido por ventiladores, bombas de agua de alimentación, quemadores, calentadores de aire, sistema de drenaje, bomba de combustible, tanque de

almacenamiento de combustible, etc, requiere ser inspeccionado y preparado para la operación asegurando su eficiente funcionamiento del que tanto necesita el caldero

Condicionamiento de los refractarios

Teniendo en cuenta que la mayoría de los calderos tienen refractarios de una u otra forma , es de vital importancia su inspección ya que con el tiempo de uso y según las características de los gases pueden ser afectados por ejemplo por una enfermedad parecida a la corrosión y ver afectada sus propiedades, paredes sucias, rotas o rajadas que pueden ser causas de combustión incompleta.

EQUIPO.

Caldera Pirotubular, Ray Burner CO. , 40 HP, 150 psi, 200 pies2, 1965. Analizador de Gases ORSAT, estándar. Un Cronómetro digital. Una Regla. Un termómetro de inmersión total (–10 a 200 ºC). Manómetros Bourdon (0 – 200 psi) y Termómetro (0 –500 ºC) instalados en la

caldera.

Procedimiento a seguir

- Verificar nivel de agua en tanques de deposito- Verificar nivel de combustible en su tanque de deposito- Verificar nivel de agua en el interior del caldero- Purga mecánica dl generador con válvula ubicada en la parte inferior/posterior- Accionar interruptor de arranque en tablero de controles- Esperar que el caldero alcance régimen de funcionamiento

Datos a obtener

- Temperatura bulbo seco del aire ambiente: TBS- Temperatura bulbo húmedo ambiente: TBH- Temperatura agua de alimentación : Ta- Temperatura del combustible: Tc- Temperatura de gases de escape:Tg- Presion de salida del vapor: Pv- Desnivel en tanque de agua de alimentación: ΔH- Diferencia de presión, temperatura de vapor que sale

- Tiempo en que suceden los desniveles de agua de combustible: T- Con analizador ORSAT: %CO2, %CO,%O2

Objetivo

- Realizar un balance térmico del generador de vapor, así como hacer un estudio de su performance considerando la importancia de este elemento en el sector-industrial y plantas generadoras de energía eléctrica, teniendo en cuenta que del diagnóstico dependen de las medidas a tomar con miras hacia un buen y eficiente funcionamiento de la unidad

Metodología del cálculo

1. Determinación del flujo de vapor: (mv)Teniendo en cuenta que la instalación cuenta con un medidor de caudal de tipo orificio; es que podemos determinar el flujo de vapor que nos entrega el caldero; el cual ha sido calculado en:

mv=608.9lbhr

=276.2 Kghr

2. Determinación del flujo de agua de alimentación: (ma)Teniendo en cuenta la diferencia de niveles en el depósito de agua durante un periodo de funcionamiento de la bomba intermitente:

∆ Hc=22.5−14.8∆ Hc=7.7cm

Se encuentra que el volumen es 44156.14 mm3El tiempo de cada periodo es 10.8minEntonces:

ma=44156.1410.8×60

ma=68.14 mm3

s

3. Determinación del flujo de combustible: (mc)

Teniendo en cuenta la diferencia de presiones en la placa con orificio y usando la siguiente fórmula para encontrar el caudal de combustible:

Q c=A2√ 2 ρagua × g ×h

ρ comb(1−( A2

A1)2

)Donde:

A1=area de la seccion mayor de la tuberia

A1=π4

× D2

A1=π4

×(2.54×1)2

A1=5.067 cm2

A2=area de la seccion menor de la tuberia(orificio)

A2=π4

× (2.54×0.25 )2

A2=0.316cm2

g=9810 cm

s2

ρagua=1000kg /m3

ρcomb=493kg /m3

mc=1716.2×5.067√ 2×1000×981×(6.22×2.54)

1716.2(1−( 0.3165.067 )2)

mc=1.17 kgs

4. Análisis de gases de escape de combustión: Datos obtenidos en el analizador ORSAT

CO2=12%O2=3.8%CO=0.4%N2=83.8%

Considerando la siguiente ecuación para una combustión incompletaC x H y+a O2+b N2⟹cC O2+dCO+eO2+f N2+g H 2O

Asimismo del analizador ORSAT obtenemos que:c=12d=0.4e=3.8

f =83.8Considerando composición volumétrica del aire:

Nitrogeno :79%Oxigeno :20.99%

Por tanto:ba= 7920.99

=3.76

Efectuando el balance de la ecuación de combustión:x=c+d=12+0.4=12.42a=2c+d+2e+g

Sabiendo que:b=f

a=22.2Luego:

g=2a−(2c+d+2e )=2×22.2−(2×12+0.4+2×3.8 )g=12.4

y=2g=2×12.4=24.8

Relación de aire combustible (r¿¿ ac)¿:

rac=(32×22.2 )+(28×83.8)

(12×2.4 )+(1×24.8)

rac=17.6kgdeaire

kgde comb .

5. Calculo del calor útil (Q1):

Q1=mv

mc

× ∆ h

Q1=276.2❑ ×()

6. Calor perdido en gases de escape(Q2)

Q2=mg× c pg×(T g−T BS)

7. Calor perdido por evaporación del agua de formación (Q3)Q3=9H (1× (212−T c)+970.3+0.46 (T g−212 ))

8. Calor perdido por evaporación de humedad superficial del combustible(Q4)

Q4=w (212−T c)+970.3+0.46 (T g−212 )

9. Calor perdido por combustión incompleta(Q5)

Teniendo en cuenta las siguientes reacciones químicas de combustión:Escriba aquí la ecuación.

10. Calor perdido por carbón no consumido y se halla presente en las cenizas(Q6)

11. Calor perdido al calentamiento de la humedad del aire ambiental(Q7)

12. Calor perdido por radiación, convección y otros(Q8)

13. Calculo del HP de la caldera(HPc)

14. Calculo del factor de evaporación(fc)

15. Evaporación equivalente(Ec)

16. Producción de caldero(Pc)

17. Rating(%R)

18. Eficiencia del generador(n)