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calidad de caldera y perdidas en tuberiasTRANSCRIPT
Laboratorio de transferencia de calor I
Calidad del vapor en la caldera y pérdidas de calor en tuberías
José Daniel Espinosa Romero
Facultad de ingeniería en Mecánica y ciencias de la producción (FIMCP)
Escuela Superior Politécnica del litoral (ESPOL)
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
CALIDAD DEL VAPOR EN LA CALDERA
En la presente práctica de laboratorio determinaremos la calidad del vapor generado por un intercambiador de calor. El calorímetro que se utilizará será el de estrangulamiento.
El calorímetro se fundamenta en la expansión adiabática del vapor sin realizar trabajo externo por lo que la energía del vapor permanece constante, las pérdidas por convección han de reducirse al mínimo, para ello el calorímetro y el conducto de unión con la cañería de vapor han de estar aislados térmicamente.
Calorímetro de estrangulamiento.-
Se trata de un fenómeno termodinámico en el cual el vapor del tubo se expande adiabáticamente sin realizar trabajo alguno, en el cuál existe una caída de presión pero sus entalpías al inicio con una presión alta y al final con una presión baja son las mismas(h1=h2).
Se puede observar dentro de un diagrama de Mollier que el vapor húmedo con entalpía mayor de 1150 BTU/lbm se supercalienta cuando se estrangula.
El principio anterior se usa en varias formas en los calorímetros de estrangulamiento, uno de los cuales incorpora un pequeño orificio para la expansión del vapor hacia
una cámara donde la temperatura del vapor estrangulado se encuentra a presión atmosférica.
Para poder observar la práctica de una
mejor manera, si una muestra de este vapor
se estrangula a una presión menor entonces,
se volverá vapor sobrecalentado en el
punto. De esta manera conociendo la
temperatura y la presión en el punto 2 se
puede encontrar la entalpía h2. Para obtener
la calidad, si la entalpía a mayor presión
(h1) es la misma que a la presión
atmosférica (h2), podemos hallar la calidad
con la ecuación h1=h f+ x( hg−h f )
Ecuación 1 ecuación de entalpía a presión
mayor(anexos).
h1(BTu/lbm): entalpía a presión mayor
hf(BTu/lbm): entalpía en liquido comprimido de la presión mayor
hg(BTu/lbm): entalpía en gas saturado a presión mayor
x: calidad del vapor en zona de mezcla de la tubería.
PERDIDAS DE CALOR A TRAVÉS DE TUBERÍAS
Una de los principales problemas que se tiene en las calderas son las perdidas de calor en las tuberías, ya que cuando existe un fluido caliente viajando a través de una tubería de acero o cobre u otro material, para disminuir las pérdidas de calor por radiación en tuberías de vapor, es importante el recubrimiento de las tuberías o aislantes, para impedir la transferencia de calor.
La cantidad de pérdida de calor depende de:
La diferencia de temperatura entre el flujo de vapor y el aire fuera de la tubería, inclusive el espesor de la tubería.
La velocidad del vapor dentro de la tubería.
El grado de humedad del vapor: por ejemplo si se trata de vapor saturado o supercalentado.
El estado en que se encuentra el aire rodeando la tubería, por ejemplo si está relativamente estancada en un cuarto ( coeficiente de transferencia de calor es mínimo), o en movimiento, abierta a la atmósfera (mayor coeficiente de transferencia de calor).
Las pérdidas en las tuberías son mayores cuando el coeficiente de transferencia de calor es mayor.
La presencia de humedad en el vapor y su condensación en las superficies facilita la transferencia de calor de la tubería. Cuando el vapor está supercalentado permite una reducción de temperatura sin que se deposite humedad en la turbina, lo que produce una disminución de las pérdidas de calor.
Existen ciertos factores que hay que tomar en cuenta para la diferencia de temperatura de dos fluidos, separados por una pared:
a) El material de la pared.b) El área normal al flujo de calorc) Las diferencias de temperatura.
d) El espesor de la pared.
De la ecuación de furier se obtiene la ecuación de tuberías con y sin aislamiento Ecuación 2 ecuación de flujo de calor en tuberías sin aislamiento,
∴Q=2π Kl ( t 1−t 2 ) /lnr 2r 1
KJ /hr
Ecuación 3 ecuación de flujo de calor en tuberías con aislamiento (anexos).
Q=2 πl( t 1−t 2)/( 1K 1
lnr2r1
+ 1K 2
lnr 3r 2
) KJ /hr
EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN:
Caldera
La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase.
Ilustración 1 caldera 10 bar
Equipo Caldera 10BarMarca THOMPSONSerie G-2326Módelo MINIPAC 3Código 2971
Barómetro.- Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmósfera. Uno de los barómetros más conocidos es el de mercurio.
Ilustración 2 Barómetro
Calorímetro de estrangulamiento
Un calorímetro de estrangulación para vapor es un instrumento utilizado para determinar la calidad del vapor húmedo que fluye por un cabezal. Su funcionamiento se basa en el hecho de que cuando el vapor húmedo se estrangula suficientemente, se forma vapor sobrecalentado.
Ilustración 3 Calorímetro de estrangulamiento
Manifold
Un manifold es un acumulador de vapor que a su vez sirve para independizar el suministro de vapor a diferentes equipos o áreas, el manifold consta de varias válvulas de corte, tipo globo de fuelle, que permiten
o restringen el flujo de vapor a cada equipo de proceso o área, de esta manera se tiene un control de la distribución del vapor y un ahorro de energía, porque cuando un proceso o área sale de operación se corta el flujo de vapor, de esta manera no se tendrá vapor innecesario en las tuberías que no operan.
Ilustración 4 Medidor de condensados en tuberías con distintos recubrimientos
PROCEDIMIENTO
Calidad en la caldera
Primero se debió realizar una
introducción previo a realizar la
práctica, tales como normas de
seguridad del laboratorio y los
conceptos básicos del
funcionamiento de la caldera, y los
instrumentos a trabajar, luego de
tener claro los conceptos y
funcionamiento de la caldera, se
procede a encenderla caldera, al
llegar a la presión de trabajo y se
tenga vapor saturado en la
tubería, se dirige al calorímetro a
tomar medidas de presión y
temperatura utilizando el
manómetro de Bourdon y un
Manómetro Bourdon
Válvula de estrangulamiento
termómetro, luego se abre con
mucho cuidado y con guantes de
seguridad la válvula que controla
el flujo de vapor hacia el
calorímetro de estrangulación y
espere que se de el equilibrio
térmico Ponga en funcionamiento
la línea de agua de alimentación al
tanque del calorímetro, Espere a
que la presión disminuya hasta un
valor estable y se toma las
medidas de temperatura, por
último se repite la toma de datos 4
veces regulando el flujo de vapor
que ingresa al calorímetro.
Perdidas de calor a través de
tubería
Luego del procedimiento para la
calidad, se dirige a los tubos
medidores de condensado, para
realizar la siguiente práctica se
debe asegurar de que todas las
válvulas estén cerradas en cada
brazo de prueba, la válvula del
cabezal de distribución (superior),
y además que las válvulas de
entrada y salida de los brazos de
prueba y la válvula de escape del
cabezal de recolección (inferior)
del vapor estén abiertas. Se abre
la válvula principal de vapor y
permita el paso de éste a través
de cada brazo de prueba hacia el
cabezal de recolección y a través
de éste hacia la línea de salida por
un periodo de tiempo muy corto.
Luego cierre las válvulas de
escape de cada brazo de prueba y
permita que el vapor se condense
hasta cuando se observe un nivel
en el medidor de cada brazo de
prueba. Cierre la válvula principal
de vapor y abra las válvulas de
escape de cada brazo, si es
necesario drene el condensado
hasta un nivel requerido.
Asegúrese que todas las válvulas
de escape al cabezal de
recolección estén cerradas y abra
luego la válvula principal de
suministro de vapor. Tome
lecturas periódicas de:
temperatura de superficie de
aislamiento, presión y temperatura
del suministro de vapor, y lectura
inicial y final del condensado.
Tomando un tiempo de Las
lecturas serán min para esperar el
equilibrio en el vapor de la tubería
y tener una lectura más precisa, la
lectura de la temperatura se
utilizará una termocupla, la cuál
funciona con un transductor,
transformando la temperatura en
una diferencia de potencial, y este
nos indica la temperatura de la
superficie, las lecturas serán
tabuladas y se usará el valor
promedio para efectos de cálculos.
RESULTADOS
Tabla 1 Datos del calorímetro
Tabla 2 temperaturas en los tubos de condensado
T1(°C) T2(°C)
T3(°C) T4(°C) T5(°C)
T6(°C)
143 41 171,4 137,6 134 132
144 42 165,4 140,3 135 133
141 42 162,7 124,4 134 130
144 43 160,5 129,3 134 135
241 44 146,2 125 132 130
Tabla 3 diferencias de volumenes en tubos de condensado
Δc1(cm3)AISLANTE GRUESO
Δc2(cm3)AISLANTE FINO
Δc3(cm3)PINTURA NEGRA
Δc4(cm3)SIN RECUBR
21 41 105 8721 91 140 9142 98 175 13414 77 147 119
ANÁLISIS DE RESULTADOS:
Dentro de la práctica se pudo
determinar la calidad de la
caldera, primero se tuvo que
obtener la presión de la
atmosfera con el barómetro la
cual nos dio una presión de
749mmhg, que se esperaba
debido a que la presión está
alrededor de 760mmhg, la
presión de la caldera inicial es
de 10bar, y la temperatura del
vapor es de 184°C, en el
calorímetro se obtuvo los
datos de la temperatura del
vapor con la caída de presión
Tabla 4 Datos del calorímetro,
en el cuál si observamos las
temperaturas y las presiones
el vapor si está en estado de
vapor sobrecalentado, como se
esperaba al inicio de la
práctica, al hallar la entalpía y
encontrar la calidad obtuvimos
una calidad promedio de 0.98,
donde las calidades de todas
las muestras oscilaban entre
ese valor, lo que indica que la
toma de datos fue la correcta,
estamos observando que la
calidad es muy buena, debido
a que existen muchos factores
que implican la seguridad de la
caldera, y la calidad es uno de
los factores, debido a que si es
que hay humedad en el vapor,
esta humedad está a una
presión muy alta, y puede
fisurar las turbinas. Con
respecto al error
LaboratorioPresión atm mm Hg 749
CalderaPresión de caldera bar 10Temperatura Cal C 184
Calorímetro # Lectura P2 (psi) T2 (°C) T2 (°F)
1 14,1 126 258,82 13,4 128 262,43 13,3 132 269,64 9,4 131 267,8
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
En la práctica pudimos
comprender los fundamentos de
los calorímetros, al igual que su
funcionamiento, donde
comprobamos el proceso y
aseguramos que las entalpías son
iguales en una caída de presión
adiabática y sin realizar trabajo,
pudimos familiarizarnos con los
equipos e instrumentos para la
obtención de muestras, con el
correcto uso de los instrumentos y
aplicando un balance
termodinámico, pudimos obtener
la calidad del vapor , y
comprobamos que se encuentra
en la zona de mezcla, nos
familiarizamos con las tablas de
termodinámica y pudimos crear un
programa para calcular la calidad
del vapor, es importante conocer
el funcionamiento de la caldera y
poder conocer los elementos de la
misma, ya que de esta manera se
tiene en cuenta las medidas de
seguridad que se debe conocer en
el laboratorio.
Ahora conocemos la importancia
de los aislantes en las tuberías de
las calderas, debido a que de esta
manera no se pierde energía en la
caldera, pudimos comparar las
pérdidas de calor entre cuatro
tipos diferentes de materiales a
través de tuberías, pudimos
calcular el flujo de calor en cada
uno de ellos y además calcular la
conductividad térmica del
aislamiento, y se concluye que el
flujo de calor en una tubería
aislada es menor al flujo de calor
en una tubería sin aislamiento,
debido a que existe menos
resistencia térmica, y la
conductividad es menor del
aislamiento que la pared del tubo
sin aislar, y esto es de esperarse
debido a que mientras mayor es la
conductividad existe una mejor
transferencia de calor, y menor
resistencia térmica. Cuando existe
menor conductividad (aislantes),
existe mayor resistencia térmica,
esto quiere decir que hay menor
flujo de calor y reduce las pérdidas
en las tuberías.
Se recomienda tomar los
datos con mucho cuidado,
debido a que las tuberías
trabajan con temperaturas
muy elevadas, las cuales
podrían causar un accidente
Utilizar los equipos de
protección personal, tales
como mandil, gafas de
seguridad, debido a que se
trabaja con vapor y este
puede causar quemaduras
en caso de fugas.
Complementar la toma de
datos con la teoría, debido a
que hay que ser capaces de
identificar si una medida es
errónea.
REFERENCIAS
ESPOL, Formato Reporte de
Laboratorio de Instrumentación
Básica
ESPOL, Guía de reporte de calidad
del vapor en la caldera, II término
2015-2016
ESPOL, Guía de reporte de
pérdidas de vapor en las tuberías,
II término 2015-2016
En la presente práctica
Anexos:
PROGRAMA PARA OBTENER LA CALIDAD Y EL FLUJO DE VAPOR EN TUBERIAS, ADEMÁS DELA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE CADA MATERIAL
clc ;
clear ;
display ('Bienvenidos al Programa de TFC ');
n=input('Ingrese datos tomados');
for i=1:n
T(i)=input('Ingrese dato de Temperatura ');
P(i)=input('Ingrese dato de Presión');
end
%t=input('Ingrese valor a Interpolar'); %Valor de Presion%
z=input('Ingrese la Propiedad a Evaluar , (1) hf (2) hg (3) vf (4) vg (5) Tsat ');
M=xlsread('Steam');
for i=1:8;
x(i)=M(i,1);
y(i)=M(i,z+1);
end
for i=1:n
hg(i)=interp1(x,y,P(i),'spline');
end
%Tsat%
z=input('Ingrese la Propiedad a Evaluar , (1) hf (2) hg (3) vf (4) vg (5) Tsat ');
M=xlsread('Steam');
for i=1:8;
x(i)=M(i,1);
y(i)=M(i,z+1);
end
for i=1:n
Tsat(i)=interp1(x,y,P(i),'spline');
end
% Determinar h2 %
Cp=0.48;
for i=1:n
h2(i)=hg(i)+Cp*(T(i)-Tsat(i));
end
%DATOS A 10 BAR
a=327.70;
b=1193.5;
for i=1:n
xx(i)=((h2(i)-a)/(b-a));
end
x_var=(sum(xx)/n);
display(xx')
display(x_var')
CALCULO DE CALIDAD
La calidad se la encuentra por la siguiente expresión:
h1=h f+ x( hg−h f )h1(BTu/lbm): entalpía a presión mayor
hf(BTu/lbm): entalpía en liquido comprimido de la presión mayor
hg(BTu/lbm): entalpía en gas saturado a presión mayor
x: calidad del vapor en zona de mezcla de la tubería.
Ecuación 4 ecuación de entalpía a presión mayor
x=h2−h f
hg−hf
Para poder calcular la calidad del vapor, se utilizó un programa codificado en Matlab:
Cp=0.48( BtuLbm° F )
De modo que para una libra tenemos:
T(°C)
1h const
T. sat
T. calder
2Tsh=T.2-Tsat
Ecuación 5 entalpía a presión mayor
h 2=hg+Cp ∆ T=h 2g+0.48∆ Tsh
Donde ∆ Tsh en grados de recalentamiento en el punto 2 y se obtiene de:
∆ Tsh=(Temp . recalent 2−Temp . saturación P 2)
CALCULO DE FLUJO DE CALOR
Ecuación 6 ECUACIÓN DE FOURIER
Q=−KAdtdr
Q=−K 2 π rldtdr
dt= −QK 2 πl
dtr
∫t 2
t 1dt= −Q
k 2πl∫r 2
r 1 drr
Integrando:
Ecuación 7 ecuación de flujo de calor en tuberías sin aislamiento
∴Q=2 π Kl ( t 1−t 2)
lnr2r1
KJ /hr
Similarmente se obtiene la ecuación general:
Ecuación 8 ecuación de flujo de calor en tuberías con aislamiento
Q=2 πl( t 1− t 2)
1K 1
lnr 2r 1
+ 1K 2
lnr 3r 2
KJ /hr
2
1ln
221
r
r
lK
Qtt
Donde:
Q = Flujo de calor KJ/hr
l = Longitud m.
r = Radios mm.
K = Coeficiente de conductividad térmica W/mK
t = Temperatura °C