CALDERA

(ESTUDIANTE) JOSE DAVID PATERNINA

MANUEL AMARIS JIMENEZ TATIANA MORENO MIRANDA

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRAFACULTAD DE INGENIERÍAPROGRAMA: MECÁNICA

TRANSFERENCIA DE CALOR 2015

RIOHACHA – LA GUAJIRA

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CALDERA

(ESTUDIANTE) JOSÉ DAVID PATERNINA

MANUEL AMARIS JIMÉNEZ TATIANA MORENO MIRANDA

(DOCENTE)GAIL GUTIÉRREZ RAMÍREZ

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRAFACULTAD DE INGENIERÍAPROGRAMA: MECÁNICA

TRANSFERENCIA DE CALOR 2015

RIOHACHA – LA GUAJIRA

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION........................................................................................................4

2. JUSTIFICACION.............................................................................................................5

3. OBJETIVOS................................................................................................................6

3.1 Objetivo general................................................................................................6

3.2 Objetivos específicos.........................................................................................6

4. CALDERA...................................................................................................................7

5. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DE LOS FLUÍDOS DENTRO DE LOS TUBOS DE LA CALDERA....................................................................................................7

6. PROCESOS DE TRANSPORTE DE CALOR EN LA CALDERA..........................................9

7. BALANCE DE MASA Y DE ENERGÍA EN UNA CALDERA..............................................9

7.1 Balance de energía para el agua en el domo...................................................10

7.2 Balance de energía para el volumen de control del gas (sistema aire-combustible).............................................................................................................. 11

7.3 Balance de masa y balance de energía para el sistema completo...................12

8. CONCLUSIONES......................................................................................................13

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...............................................................................14

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1. INTRODUCCION

Las calderas son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, liquido o gaseoso vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. Transforma la energía química del combustible en energía calorífica. Además intercambia este calor con un fluido que se transforma en vapor de agua, 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 a vapor saturado. El calor recibido de la caldera viene dado por los mecanismos básicos de transmisión de calor; conducción, convección y radiación.

A principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropa, limpieza doméstica, etc., hasta que en 1769 Dionisio papín creó una pequeña caldera llamada “marmita” en la cual se usó vapor para intentar mover la primera máquina análoga, la cual no funcionaba porque utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse esta dejaba de producir trabajo útil. Posteriormente fue desarrollada por James Watt en 1776, e impulsoras de la revolución industrial.

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como; Esterilización en los hospitales, también en los comedores con capacidad industrial, Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para calentar petróleos pesados y mejorar su fluidez, para generar electricidad a través de un ciclo Rankine, entre otro campo de aplicaciones.

Siendo así abrimos espacio al estudio de las calderas teniendo en cuenta su clasificación y características para luego aplicar un balance tomando como volumen de control el agua, luego solo los gases y finalmente usando todo el equipo, usando sus respectivos diagramas, e incluyendo la descripción de los procesos de transporte de calor en todo el equipo.

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2. JUSTIFICACION

Las necesidades energéticas de los procesos industriales son cubiertas, en su mayor parte, mediante vapor de agua. El inicio de la Era Industrial se fincó en el uso masivo del vapor, mismo que hasta hoy no ha decaído. Ya sea que se necesite calentar, aumentar presión, generar energía eléctrica o mover equipos, se usa el vapor.

Teniendo en cuenta la variedad en su utilización, se nos hace necesario como ingenieros saber realizar cálculos que nos ayuden a obtener la mayor eficiencia térmica posible dentro del sistema. Para determinar esta eficiencia térmica se deben resolver las ecuaciones de balance de masa y de energía. De esta manera se puede estimar las pérdidas de energía a fin de prever las posibles mejoras al proceso que conduzcan a un incremento de la eficiencia.

Primordialmente son estos aspectos los que nos impulsan a estudiar la transferencia de calor y masa, para luego aplicarlos a procesos industriales y adquirir nuevas competencias como estudiantes de ingeniería mecánica.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar la clasificación y el funcionamiento de una caldera (pirotubular y acuotubular), para luego aplicarle la primera ley de termodinámica.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudiar los diferentes medos de transporte del calor en una caldera.

Aplicar balance de energía para los tres sistemas en la caldera tomando como volumen de control al agua, luego al gas y finalmente a la caldera en general.

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4. CALDERA

Una caldera es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. La presión no puede aumentar de manera desmesurada, ya que debe permanecer constante por lo que se controla mediante el escape de gases de combustión, y la salida del vapor formado.Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes a presiones altas, como el acero laminado.

5. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DE LOS FLUÍDOS DENTRO DE LOS TUBOS DE LA CALDERA

Calderas pirotubulares:

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera.

Básicamente son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de forma cilíndrica o semicilíndrica, atravesados por grupos de tubos por cuyo interior circulan los gases de combustión.

Por problemas de resistencia de materiales, su tamaño es limitado. Sus dimensiones alcanzan a 5 mts de diámetro y 10 mts. de largo. Se construyen para Flujos máximos de 20.000 Kg./h de vapor y sus presiones de trabajo no superan los 18 Kg./cm2.

Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso se les instala un estanque de expansión que permite absorber las dilataciones de agua. En el caso de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 cm. sobre los tubos superiores.

Ejemplo de ellas son las usadas en locomotoras a vapor y la caldera de los barcos.

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Calderas acuotubulares: En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas

presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación. Se aplican cuando se requiere una presión de trabajo por encima de los 22 bares. Alcanzan eficiencias del 78 y 80 %.

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6.

PROCESOS DE TRANSPORTE DE CALOR EN LA CALDERA

En las calderas pirotubulares: El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.

En las calderas acuotubulares Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea.

7. BALANCE DE MASA Y DE ENERGÍA EN UNA CALDERA

En este caso tenemos una caldera acuotubular con flujo estable. Donde tenemos agua en los tubos q pasan por el domo y gas q calienta las paredes del tubo provocando una convección forzada y radiación.

9Calor q entra

hacia las paredes del

tubo

A continuación procedemos a realizar los respectivos balances de masa y de energía tomando como volumen de control solo el agua, luego el gas y por último en el sistema en general (toda la caldera).

7.1 BALANCE DE ENERGÍA PARA EL AGUA EN EL DOMO

Procedemos a realizar nuestro volumen de control para el agua en el domo.

La primera ley de la termodinámica nos dice que: Eentra - Esale = ∆Esistema

Dónde: ∆Esistema es el cambio de energía interna dentro del sistema, como es un flujo estable no hay cambio de energía dentro del sistema por lo tanto nos quedaría la formula

Eentra = Esale

Qh

Donde:

Mentra: es el flujo de entrada másico

Hentra: es la entalpia de salida a temperatura y presión de caldera

Qh: es el calor entrante al sistema

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Domo

Convección forzada

Convección natural

Entra gas

Sale gas

DomoMentra; Hentra Msalid; Hsalid

Msalid: es el flujo másico de salida

Hsalid: es la entalpia de salida a temperatura y presión de calderaEntonces nos quedaría el balance de energía así:

Qentra+Mentra (Hentra)=Msalid (Hsalid)

El balance de masa para el flujo estacionario nos quedaría que:

Mentra = Msalid = Magua

El balance de energía nos quedaría de la siguiente manera

Qentra=Magua (Hsalid-Hentra)

7.2 BALANCE DE ENERGÍA PARA EL VOLUMEN DE CONTROL DEL GAS (SISTEMA AIRE-COMBUSTIBLE)

Calor saliente

Nuestro balance de energía quedaría para nuestro volumen de control de la siguiente manera para sistema estacionario:

Eentra – Esale=∆Esistema

Eentra = Esale; Eaire + Ecomb = Qsal + Esal comb ; Qsal = (Eaire +Ecomb) – E sal comb

Donde:

Eaire: energía del aire entrante Ecombust: energía del combustible entrante Qsal: calor que sale del sistema por convección forzada y radiación

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Gas (aire, combustible)

Mcombust, MaireEcomb entra

Eaire entra

MH2O, MN2, MCO2

Esal combus

Esal comb: energía de salida de combustión producida por la reacción del aire y el combustible

Para el balance de masa tenemos:

∑Ment = ∑Msal

Mcomb + Maire = MCO2 + MH2O+ MN2

Mcomb : flujo másico del combustible Maire: flujo másico del aire MCO2: flujo másico del dióxido de carbono MH2O: flujo másico del vapor de agua MN2: flujo másico de di nitrógeno

7.3 BALANCE DE MASA Y BALANCE DE ENERGÍA PARA EL SISTEMA COMPLETO

Tenemos nuestro sistema completo tomando como frontera los alrededores de toda la caldera

QP hacía los alrededores

El balance de masa para un flujo estacionario de toda la caldera seria todas las masas que entran al sistema es igual a todas las masas que salen de el

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(MH2O entra) (Hentra)Eaire

EcombustMcombust, Maire

Toda la caldera

(MH20 V salid) (Hsalid) Esal comb

MCO2, MH2O, MN2

∑Ment = ∑Msal

MH2O ent + Mcomb + Maire = Msal + MCO2 + MH2O+ MN2

El balance de energía para todo el sistema en flujo estacionario seria

Eaire + Ecombust + (MH2Oentra Hent)) = Qp + Esal comb + (MH2Oentra (Hsal))

Donde Qp es el calor perdido hacia los alrededores de la caldera

Entonces Qp quedaría de la siguiente manera:

Qp = Eaire+ Ecomb + MH2O (Hent – Hsal) – Esal comb

Eaire: energía del aire a temperatura y calor específico dado.

Ecomb: energía del combustible a temperatura y poder calorífico definido.

Esal comb: energía del producto de la combustión entre el combustible dado y el aire

8. CONCLUSIONES

El balance de energía al igual que el balance de materia es una derivación matemática de la "Ley de la conservación de la energía" (Primera Ley de La Termodinámica), es decir "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma". Tomando como punto de partida este concepto, abrimos espacio a la investigación de las calderas teniendo en cuenta su clasificación y funcionamiento.

En ingeniería, como en otras ramas, la aplicación de las ecuaciones de balances de masa y de energía son de gran importancia para determinar el aprovechamiento y la pérdida de energía que se genera en un sistema, en este caso la caldera. A través de este principio físico se busca calcular que tan eficiente puede ser el proceso para benéficos de una industria en general

En este estudio, al aplicar las ecuaciones de balance de energía, tuvimos inconvenientes en el sistema que tomamos como volumen de control el gas. El problema radico en que estábamos indecisos, si colocar el poder calorífico de los elementos producidos por la combustión de salida (nitrógeno, agua, dióxido de carbono) o colocar una variable que los identificara como energía de combustión a todos en general.

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9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Felder Richard, R. Rousseau, «Principios Elementales de los Procesos Químicos», Addison-Wesley Iberoamericana S.A., 1991' p. 682.

http://www.caballano.com/calderas.htm

http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/pirotubulares

http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_13_QUI03.pdf

ITINTEC, «Manual de Eficiencia Energética de Calderas Industriales», Oct. 1991

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