UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA

CARRERAS DE LICENCIATURA EN INGENIERIA MECANICA

E INGENIERIA ELECTROMECANICA

PROYECTO:

CALCULO Y DISEÑO TERMICO DE UN CALDERO

DOCENTE: ING. ROCHA TRIVEÑO EDWIN AUGUSTO

MATERIA: TRANSFERENCIA DE CALOR

ESTUDIANTES:

TAJIMA MATSUHARA ALEXANDER

TERRAZAS AGUILAR WILDER

VILA MONTAÑO GUIDO

CARRERA: INGENIERIA MECANICA Y ELECTROMECANICA

FECHA DE PRESENTACION: LUNES 25 DE JUNIO DE 2012

COCHABAMBA – BOLIVIA

CALCULO Y DISEÑO TERMICO DE UN CALDERO

INTRODUCCION:

Con este proyecto se pretende calcular y diseñar térmicamente un caldero, para ello utilizaremos la teoría adquirida en clases, libros afines a la materia y programas informáticos que nos ayudaran a alcanzar los objetivos propuestos en el presente proyecto.

JUSTIFICACION:

Este proyecto es elegido porque enfrenta problemas reales en el diseño térmico de una caldera, además con este proyecto demostraremos la aplicabilidad de todo lo avanzado en la materia de Transferencia de calor y otras materias.

En nuestro caso el vapor generado por el caldero será utilizado para la elaboración de Poliestireno Expandido o plastoformo, a partir de perlitas de poliestireno que contienen un agente expansor (generalmente pentano) en su interior.

OBJETIVOS:

Generales:

Determinar el calor transferido en un caldero.

Específicos:

Determinar la diferencia logarítmica de temperatura. Calcular los diferentes coeficientes de conducción, convección y radiación. Calculo del coeficiente global de transferencia de calor. Determinar el área de transferencia de calor del caldero. Comentar los resultados obtenidos y dar una conclusión adecuada al diseño térmico.

PROBLEMA:

El problema que identificamos es determinar el área de transferencia de calor que se necesita un caldero pirotubular por el cual se harán circular los humos de la combustión de gas natural para elevar la temperatura del agua líquida a una temperatura de vapor sobrecalentado que se utilizara para pre-expandir las perlitas de poliestireno.

Para este proceso se necesita un flujo másico de 50 kg por hora de vapor, a una presión de 5 bares y una temperatura de vapor de 100 grados Celsius por encima de la temperatura de saturación del agua a dicha presión, este proceso será detallado en la FIG.-1.

El calor requerido para la realización de estos procesos se puede determinar calculando el calor sensible y el calor latente, que se representa como el área bajo las líneas de los procesos en FIG.-1, estos cálculos los realizaremos posteriormente.

Diagrama T-s del calentamiento del agua

FIG.-1

En el proceso 1-2 se comprime el agua isoentropicamente desde una presión inicial de 1.01325 bar (1 atmosfera) con una temperatura de 20 grados Celsius hasta una presión de 5 bar, la temperatura se eleva una centésima de grado.

En el proceso 2-3 el agua se calienta isobáricamente hasta alcanzar el estado de vapor sobresaturado a una temperatura de 151.9 grados Celsius.

Finalmente en el proceso 3-4 se sigue entregando calor al vapor de agua para que esta llegue a un estado de vapor sobrecalentado a una temperatura de 251.9 grados Celsius.

CALCULOS:

Para facilitarnos los cálculos, utilizaremos tres programas informáticos muy útiles, estos son:

Engineering Equation Solver más conocido como EES, este programa nos permite resolver sistemas de ecuaciones de cualquier índole, sobre todo las que tengan que ver con termodinámica.

CyclePad, este programa permite realizar simulaciones de ciclos y procesos termodinámicos. TermoGraf: este programa permite dibujar diagramas termodinámicos referidos ciclos y

procesos.

Flujograma del proceso de cálculo y diseño

100°

151.9°C

250°

20°C

Debido a que el problema identificado en este proceso es hallar el área de transferencia de calor, utilizaremos como base la formula de transferencia de calor:

Q=U ∙ A ∙∆ tm

Donde:

Q: Calor transferido

U : Coeficiente global de transferencia de calor

A: Área de transferencia de calor

∆ tm: Diferencia de temperatura media

Despejando el área de trasferencia de calor tenemos:

A= QU ∙∆ tm

Por lo tanto debemos calcular el calor transferido, el coeficiente global de transferencia de calor y la diferencia media de temperatura.

DATOS DEL PROBLEMA:

Toma de datos y Calculos iniciales para la

obtencion de algunos datos faltantes

Th1 y Th2

Balnce de energia y completar los datos

faltantes

Calculo de la diferencia media de temperatura

Asumir U y calcular QH y AH

Determinar QT y calcular AT

Calcular el numero de tubos necesario

Datos del vapor de agua:

Tc1= 20°C Tc2= 250°C mc= 50 kg/h PV= 5 [bar]

Datos caldero:

Número de pasos: 2

Datos del hogar:

L = 1.0 m DN= 30 cm e = ¼ “

Datos de los tubos:

DN = ½ “ e = 3.7 mm L=1.0 K = 46 Kcal/ h*m*°C

Datos del combustible:

Gas Natural (CH4) Poder calorífico inferior (PCI)= 9300 Kcal/ m³ η combustión = 97%

tubos

Hogar

PASO 1: Cálculos iniciales

Calculamos la temperatura de llama adiabática (TLA) para calcular la temperatura de entrada de los humos (Th1):

Q=mG (hs−he)=mG (C pT s−C pTe )

Q=mG (hs−he)=mGCp (T s−T e )

Donde:

Q: Flujo de calor

mG :Flujo de masa de los gases

C p: Capacidad calorífica

T e: Temperatura de entrada del combustible

mG=mair+mcomb

T s=T LA

T e=20 °C

mair: Flujo de masa del aire

mcomb: Flujo de masa del combustible

Q=mcomb∗PCI∗ηcomb

mcomb∗PCI∗ηcomb=(mair+mcomb )Cp (T LA−T e )

T LA=

mcomb

mair+mcomb

∗PCI∗ηcomb

Cp

+T e

PCI : Poder calorífico inferior

ηcomb: Rendimiento de la combustión

T LA : Temperatura de llama adiabática

Ingresamos los datos en el EES:

Y calculamos:

Así:

T h1=1195 [℃ ]

Ahora calculamos la temperatura de salida de los humos, esta temperatura debe ser 100 grados Celsius mayor a la temperatura de salida del agua, por lo tanto:

T h2=T c2+100℃

Donde:

T c2=250℃

T h2=250℃+100℃

Así:

T h2=350[℃]

PASO 2: Balance de energías

Para el balance de energías, calculamos el calor que debemos entregar al agua, para eso ingresamos los datos necesarios al EES:

Debido a las características del caldero, es imposible alcanzar los requerimientos del problema que tiene el proyecto, es por eso que tomaremos las siguientes consideraciones, para eso:

Calculamos y obtenemos los siguientes resultados:

Así, el calor que necesita el agua para llegar a las condiciones requeridas es:

Qa=45896 [kcal /h]

Pero, debido a los problemas expresados anteriormente, el calor máximo posible a entregar al agua y la temperatura máxima alcanzable son:

Qa=40991[ kcalh ] y T c2=151.9[℃]

Y el flujo másico del fluido caliente es:

mh=126.3 [kg/h]

PASO 3: Calculamos la diferencia media de temperatura

Para calcula la diferencia media de temperatura debemos calcular la temperatura media logarítmica y posteriormente multiplicar por un factor de corrección, para esto utilizamos la siguiente grafica:

Grafico del factor de corrección de MDLT para una coraza y un número par de tubos:

FIG-2

Donde:

R=T 1−T 2

t 2−t 1

y S=t 2−t1T 1−t 1

Debido a que la mayor parte del proceso se trata de un cambio de fase, la tomaremos como tal utilizando el factor de corrección igual uno y también la temperatura de fluido frio, constante:

Colocamos los datos en el EES

t 2=350℃

T 2=151.9℃

T 1=151.9℃

t 1=1195℃

Y calculamos

Así:

∆ tm=508.7 [℃]

PASO 4: Calculo del coeficiente global de transferencia de calor del hogar

Para realizar el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor primero hacemos los respectivos cálculos de los diferentes coeficientes, ingresando datos en el EES:

Calculo de Coeficiente de radiación:

Calculo de los diferentes coeficientes de convección:

Finalmente:

Donde:

U i=10.45 [ kcal

m2h℃ ]

Este valor es muy cercano al coeficiente de radiación, esto debido a que la radiación domina el flujo de calor.

PASO 5: Calculo del calor entregado en el hogar

Finalmente:

Donde:

Qh=4798[kcal /h]

PASO 6: Calculo del calor trasferido en el paso de tubos y el numero de tubos

Para esta parte recalculamos el valor del coeficiente global de trasferencia de calor, el calor transferido en los tubos y finalmente el numero de tubos necesarios.

Calculo del coeficiente de transferencia de calor en los tubos:

Coeficiente de convección interna:

Coeficiente de convección externa:

Coeficiente global de transferencia de calor de los tubos

De donde el coeficiente global de transferencia de calor es:

U i=39.2[ kcal

m2h℃ ]

A continuación calculamos el calor transferido en los tubos y el número de estos:

Utilizamos el área de transferencia de calor para hallar el número de tubos

Finalmente:

Donde:

N t=14.57≈15[ tubos ]

CONCLUSION:

Con todos los calculos realizados pudimos llegar a la conclusion de que son necesarios al menos 15 tubos de las dimensiones indicadas en problema para satisfacer el requerimiento de cambio de fase señalado en el problema, pero el objetivo del caldero a diseñar era que el vapor de agua se encuentre en un estado sobrecalentado; gracias a la oportuna correccion de nuestro docente de la signatura comprendimos que la mayoria de los calderos simples, no logran alcanzar el estado de vapor sobrecaletado, para ello es necesario que el caldero trabaje en conjunto con otros equipos de intercambio de calor como ser economizadores y recalentadores y que tambien el caldero posea un mayor numero de pasos, tanto de corazas como de tubos.

Durante el proceso de la realizacion del proyecto tuvimos dificultades que las supimos resolver aplicando la teoria y los conocimientos adquiridos, trabajando en equipo y que a pesar de los sacrificios que hicimos cada uno de los miembros del grupo, sabemos que fue para bien, ya que este fue el primero de los muchos proyectos que iremos realizando a lo largo de la carrera y sera una guia muy uti en nuestra vida profesional.

Cabe destacar que los datos y resultados obtenido son teoricos y estos resultados solo nos dan una idea aproximada del complejo problema y a pesar de los mucho programas informaticos que utilisemos no podremos calcular, por ahora, de forma exacta los procesos que queremos investigar.

BIBLIOGRAFIA

Problemas de ingenieria quimica OCON TOJO Teoria y problemas de trasferencia de calor DONALD R. PITTS Procesos de transferencia de calor DONALD Q. KERN Transferencia de calor YUNUS A. CENGEL CUADERNO DE APUNTES DE LA MATERIA Internet

o http://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(m%C3%A1quina) o http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_t%C3%A9rmica o http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cal%C3%B3rica o http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible o http://es.wikipedia.org/wiki/Combusti%C3%B3n o http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa#Relaciones o http://es.wikipedia.org/wiki/Poliestireno_expandido o otros