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EIQ‐355 PROCESOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA

TEMA6

jsantana@ucv.cl

CALDERASy 

GENERADORES  de VAPOR  

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Gran Variedad de:Tipos                                               Capacidades Pequeños Generadores     a      Grandes Calderas

Niveles de T y P  1.7 a 315  (kg/cm2) 115 a  650 (ºC)

Equipos anexos   Pre‐tratamiento de agua y combustibles. 

Chancadoras y molinos  

Partes de una Caldera ‐Hogar. Ó Cámara de Combustión rodeada de paredes de refractarios y 

aislantes. Parrillas, ceniceros, quemadores según combustibles usados.

‐ Zona Radiante. Tubos 3 a 4” cubren las paredes reciben Energía Radiante   ‐ Zona de Convección. Calandrias de tubos cruzados al flujo de  

gases caliente aumentando la turbulencia y la transferencia de calor. 

‐ Recalentadores. de alta y baja T ubicados en zonas de gases a nivel adecuado de Temperatura.

‐ Economizador. Precalienta condensado bombeado hacia el cilindro, usando calor de gases que se dirigen a la chimenea.

‐ Recalentador de aire. Con gases de escape justo antes de salirpor chimenea.

‐ Cilindro. Separador líquido‐vapor, procedente de los tubos de . Vapor saturado que va hacia en partes 

a servicios externos y a los recalentadores.

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‐ Ventiladores. Forzado e Inducidos para el soplado de aire y gases‐ Quemadores.‐ Atemperadores. Regulan la producción de vapores saturado y

recalentado. 

‐ Sopladores de hollín. Mantienen limpieza de tubos. Evitando labajada  de q (trasferencia de calor)

‐ Sistemas de medición. De T, P, flujos, nivel, etc.‐ Alarmas.‐ Control automático.

CLASIFICACIONES

Piro‐Tubular         ó Acuo‐TubularTubos Rectos        ó Curvados Estáticas               ó Móviles 

Tubos Horizontales,   Verticales ó Inclinados

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Cámara de Combustión 

Parrilla

Pared de Refractarios

ASTM

A=13 a 225 m2

Ф = 91 a 213 (cm)  Pg → 12 (kg/cm2) 

L=3 a 6 m

Baja CapacidadBaja T gases

Fácil limpieza

virotillos

Baja Velocidad de producción de Vapor

HP= → 150

Pg → 28 (kg/cm2) 

Piro‐tubos

alta T gases

Carbón, madera y fuel oil

Generador adaptado de bajo costo.

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fuel oíl ó gas

Control automático.

Ventilador de tiro inducido.

Cámara de 

Combustión llama

Placa de tubos

Pg =1 a 17  (kg/cm2) 

HP= 15 a 500

Carbón, gas o fuel

Excelente circulación

Fácil limpieza

Puerta Frontal

Puerta posterior

Los  acuototubos Protegen  al revestimiento Refractario

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Calderas Acuotubulares

Permiten  operar a altas presión de vapor

Los tubos resisten mejor la presión internaAlta resistencia a la tensión

Espesor menor Mejor transferencia de Calor

Mayor velocidad de vaporización Mayor capacidad

CilindroAcuo‐ tubos 4”

Deflectores

Ladrillos refractarios

A=67 a 1350 m2

P →35 (kg/cm2) 

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Pg = 43  (kg/cm2) 

Vapor = 54000  (kg/h) 

T = 440 ºC

Carbón, gas o fuel

2 CuerposCilindros

Recalentador tipo convección

Control de T recalentador por inyección de condensado

45  m

Aire primario

Pg = 161  (kg/cm2) 

T = 565  ºC

Vapor = 612900  (kg/h) 

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Vapor = 408600  (kg/h) 

Pg = 66.5  (kg/cm2) 

T = 510  ºC

Cenizas salen como Escoria fundida

Pulverizador

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Quemadoresrecalentador Cuerpo

Cilíndricoinferior

Vapor saturado seco 

Economizador

Sistema de control sensible de combustión,  circulación de agua 

y recalentamiento

Pg = 140  (kg/cm2) 

Pgases = 2  (kg/cm2) 

Alta transferencia de calor

Vapor = 2724  (kg/h) 

piso = 2.1x2.1  (m2) 

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“Calores perdidos”Piro‐ tubos 1.5  a 2”

Recuperación  60 %

Vapor = 567500 (kg/h) 

Pg = 135  (kg/cm2) 

5 Molinos

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Tendencias actuales: El enorme consumo de combustibles , la contaminación y costos que involucran,hacen importante cualquier mejora en el rendimiento del uso de la energía.Esto ha conducido a trabajar con elevada temperatura y presión, uso de pre‐calentadores, recalentadores, quemadores de carbón pulverizado, controladores automáticos, etc.Costosos cilindros para soportar la alta presión. Deben construirse de mínimo Ф.Tubos curvados entran radialmente al cilindro.Etc.   

Q = ms∙(h‐hf)              kg/hDonde:

ms:  Vapor producido,  kg/h h  :  Entalpia del Vapor, Kcal/kghf :  Entalpia del Condensado, Kcal/kg

ms máximo ms Normal (Máxima Eficiencia)   

POTENCIA DE CALDERAS, (HP de Caldera)Un HP de caldera según ASME se define como:La potencia necesaria para pasar 30 lb de agua a 38.6 ºC a  vapor a una presión relativa de 4.9 (kg/cm2)  ó pasar 15,66 kg de agua por hora, a vapor  a 100 ºC y 1.033 (kg/cm2) en que se requieren 543.4  (Kcal/kg). De lo cuál se obtuvo:

CAPACIDAD DE LAS CALDERAS.‐Vapor Producido  (kg/h)      debe incluir  P y T‐ Energía Transferida (Kcal/h)   ó HP de Caldera           

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( )historicahhm

CalderadeHP fs

66.154.453)(

×

−⋅=

4.453)( fhh

ónVaporizacideFactor−

=

4.453)( fs hhm

eEquivalentdeónVaporizaci−⋅

=

POTENCIA NOMINAL (PN)Basada en 0.93 (m2/HP de caldera) para calderas pequeñas. Valor aproximado debido a que la transferencia de calor depende de la geometría, régimen de flujo, Temperatura y Presión del sistema, tipo de combustible, etc.Las calderas se operan generalmente sobre su potencia Nominal.

100 %  PN  →Máxima Eficiencia 200 %  PN  →Máximo Rendimiento300 %  PN  →Más usada

400 a 600 %  PN  →Máxima Capacidad.

‐Baja el Rendimiento por:Aumento de la temperatura de gases a ChimeneaHumos o combustión incompleta‐Suben el RendimientoEconomizador y Recalentador de aire

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EL COMPORTAMIENTO DE LAS CALDERAS.Se expresa por: ‐ Vapor Producido                                      ‐ %CO2, CO, SO2, etc. en gases   ‐ Velocidad de Combustión                      ‐ Combustible no quemado  ‐ Transferencia de Calor                            ‐ % PN desarrollada‐ Temperatura Gases de Escape               ‐ Rendimiento Global 

Velocidad de Combustión  (V.C.) :          Se expresa por:(kg/m2∙h)                                           (m3/m3∙h) 

m2 de Parrilla                                                     m3 de HogarDepende de:    

Clase de combustible,  tamaño y tipo de parrilla,  cantidad de aire suministrado. 

A  mayor V.C. mayor producción pero baja el rendimiento. Ejemplo Locomotora a vapor consume 976 (kg de carbón/m2

parrilla hora)  

El rendimiento aumenta con la capacidad de la caldera y la V.C. pasa por un máximo y baja.Ver curvas de comportamiento típico de calderas. Esto ocurre por aumento tg  gases de chimenea, combustible sin quemar.

( )100⋅

⋅

−⋅=

Fmhhm

ef

fsb

Rendimiento GlobalRazón entre Calor transmitido y la energía suministrada por combustión:          

Donde:eb :  Rendimiento global mf :  Peso de combustible quemado, kg/hF :  Potencia calorífica superior , Kcal/kg

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Curvas de ComportamientoTípicas de Calderas con:

‐ Hogar mecánico ‐ Parrilla fija.‐ Tiro forzado                 ‐ RecalentadorAt = 465 m2 

P = 14 kg/cm2 

Potencia calorífica F = 5712 (Kcal/kg)

Tg ºC   Chimenea

Carbón (kg/m2 Parrilla)

T ºC

Carbón (kg/h)

Curvas de ComportamientoTípicas de Calderas con:

‐ Carbón pulverizado‐ Paredes refrigeradaspor agua.

‐ Tiro forzado                     ‐ Recalentador‐ EconomizadorACaldeo = 1162.5 m2 

Vhogar = 288.7 m3

P    = 19.6 kg/cm2 

Potencia calorífica F = 7000 (Kcal/kg)

Tg ºC

Chimenea

ºC

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Ejemplo:     Agua = 18160 kg a 105 ºC se vaporizan a P = 12.6 (kg/cm2) y97 % de titulo. Carbón usado = 2043 (kg/h)   F = HHV = 6608 (Kcal/kg)

Determine:  Q,   HPc y    eb

( )

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=−⋅+⋅

=−⋅=

kgKcal

hhmQ fS

61091.93.10545.47697.076.19318160

( )HP

hhmHP fS

C 8.117466.156.543

1091.966.156.543

6

=×⋅

=×−⋅

=

( )%74

660820431091.9 6

=×⋅

=⋅

−⋅=

Fmhhm

ef

fSb

BALANCE DE ENERGÍA.Base = 1 kg de Combustible

H1 = Calor de Vaporización, (Kcal/kg de Combustible)      Hi  =  Perdidas de Energía diversas (Kcal/kg de Combustible)

∑=

+=8

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iiHHF

A) CALOR ABSORBIDO POR EL VAPOR, (H1)      

( )f

fs

mhhm

H−⋅

=1

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B)  PERDIDAS DE ENERGÍA DIVERSAS 

( )fm hhmH ′−′′⋅=2

‐ Humedad del Combustible, mm:

Donde:h” :  Entalpía del Vapor Recalentado a: 

Pagua = 0.07 (kg/cm2) y tgases escape.

h’ : Entalpia agua líquida a Tcombustible

mm  : Humedad del Combustible ‐Agua (= Hy) formada por combustión de Hidrogeno:

( )fy hhHH ′−′′⋅⋅=93

‐ Humedad del aire, mv :

( )agv ttmH −⋅⋅= 46.04

aaSatv mSatm ⋅Η⋅=100

.%

Donde:tg       :  Temperatura del gas de chimeneata :  Temperatura del aire atmosféricomaa  : aire seco/kg combustible

( )agdg ttCpmH −⋅⋅=5

‐ Calor sensible gases de escape:

Cp. gases secos  = 0.24

‐ Combustible gaseoso no quemado:

16 6.56892

2 Cnn

nH

COCO

CO ×⋅+

=fm

quemadoCC =1

‐ Combustible no quemado en cenizas o escoria:

f

rr

mCmH ⋅⋅

=8148

7r = residuos, cenizas o escoria 

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‐Hidrocarburos e H2 no consumidos, radiación y otras perdidas  no consideradas (H8) se obtiene por diferencia:

‐ No se consideran las perdidas por operaciones de puesta en marcha o parada de la caldera, mantención preventiva o de emergencia, purgas, make‐up, etc. 

∑=

−=7

18

iiHFH

Ejemplo:     Una Calera que opera con un rendimiento de 74.8 % de la     potencia calorífica superior del Carbón utilizado.   F = 6608 (Kcal/kg)

Composición del Carbón (% peso):C         H         N2 O2 S         H2O         Cenizas 62        4           1          8           2           8                15

Gases de Chimenea: (% volumen)CO2 CO             O2 N213                1                5             81

ta = 23.2 ºC           tg = 233 ºC                     tvapor = 182 ºC% Sat. aire = 70 %              mf = 908 kg/h                 mr = 190.7 kg/h

Cr = 18 %                                               Pbarométrica   = 760 mmHgHumedad a saturación (Tabla XVIII pág. 491)  = 0.01815  kg/kg aire seco         

Determine y Tabule  el balance de energía.

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1001 ×

×−×=

f

rrff

mCmCm

C

( ) 12

22

37004 C

COCOOCOmdg ⋅+⋅++×

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅+−=

881

OHCmm dgaa

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

××−×

=CarbónkgkgC 5822.0

100908187.19062908

1

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⋅

+⋅++×

=Carbónkgkgmdg 494.105822.0

11337005134

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅+−=

Carbónkgkgmaa 15.10

808.004.085822.0494.10

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( )6.49426608748.0

1001 =×=⋅=−⋅

= Fem

hhmH b

f

fs

( )8.74100=⋅

⋅

−⋅=

Fmhhm

ef

fsb

( ) ( ) 9.545.2370908.02 =−⋅=′−′′⋅= fm hhmH

( ) ( ) 4.2465.2370904.0993 =−⋅×=′−′′⋅⋅= fy hhHH

( )( ) 88.122.2323346.015.1001815.07.0

46.04

=−⋅×××

=−⋅⋅= agv ttmH

32.27368.633466087

18 =−=−= ∑

=iiHFH

308908

18.07.190814881487 =

××=

⋅⋅=

f

rr

mCmH

9.2365622.06.5689113

16.5689 162

2 =×⋅+

=×⋅+

= Cnn

nH

COCO

CO

( ) ( ) 5332.2323324.0494.105 =−⋅×=−⋅⋅= agdg ttCpmH

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Kcal %kg comb.

H1 = Calor absorbido por el vapor               4942.6          74.80H2 = Humedad del Combustible                       54.9         0.83 H3 = Humedad formada por quemar H        246.4            3.73H4 = Humedad del aire                                       12.88          0.18H5 = Gases escape Chimenea                          533         8.07H6 = Combustión Incompleta                          236.9            3.59H7 = Combustible perdido en Escoria            308              4.66

Sub Total                                             6334.68       95.86

H8 = Perdidas Varias (por diferencia)            273.32          4.14TOTAL                                                 6608           100.0

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ACCESORIOS DE LAS CALDERAS

‐Manómetros                                              ‐Válvulas de alivio y seguridad‐ Sopladores de hollín                                 ‐ Nivel de agua         ‐ Tableros eléctrico y electrónico             ‐ Indicador de tiro‐ Sensor de nivel de agua                           ‐ Sistema de purga      ‐ Regulador de agua de alimentación           ‐ Sistema de control Automático

NIVEL DE AGUA  Implementado de flotadores o visores de nivel,alarmas de alta y de baja. Activa al regulador deagua de alimentación (condensado)

Control de agua alimentada a la caldera

Usa las señales de:‐ Caudal de agua de alimentación              ΔP   Economizador ‐ Cilindro‐ Caudal de vapor producido                       ΔP   Cilindro – Recalentador‐ Sensor de nivel de agua

Estas señales permiten el control automático mediante: MOTORES  y  VALVULAS    de alimentación de agua

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