Diseño Caldera de Vapor

Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniera

Escuela de Ingeniera Civil Mecnica

DISEO DE GENERADOR DE

VAPOR

COMBUSTIBLE CARBN

VALDIVIA

CHILE

08 Julio de 2013

AUTORES:

Cristian Herbert Aguilar Surot

Felipe Octavio Cazaux Soto

Hardy Gary Muoz Soto

Erney Moiss Silva Rivera

Jos Manuel Soto Nez

PROFESORES:

Marcelo Paredes Cifuentes

Rogelio Moreno Muoz

Juan Rebolledo Sez

Licenciatura en Cs. de la Ingeniera - VII Semestre

Facultad de Cs. de la Ingeniera

2

INDICE

INTRODUCCIN ................................................................................................................................. 8

1. PROBLEMA DE DISEO............................................................................................................ 9

1.1. DEFINICIN DEL PROBLEMA............................................................................................................. 9

1.2. OBJETIVO .................................................................................................................................... 9

Objetivos especficos ........................................................................................................ 9 1.2.1.

1.3. LIMITACIONES ............................................................................................................................... 9

2. PLANIFICACIN DEL PROYECTO .............................................................................................. 9

3. DEFINICIN DEL PRODUCTO ................................................................................................. 10

3.1. DEFINICIN DE REQUERIMIENTOS Y ESPECIFICACIONES ........................................................................ 10

Requerimientos .............................................................................................................. 10 3.1.1.

Especificaciones de ingeniera ....................................................................................... 10 3.1.2.3.1.2.1. Parmetros asignados ............................................................................................................. 11 3.1.2.2. Parmetros provenientes de la Norma ................................................................................... 11 3.1.2.3. Parmetros variables ............................................................................................................... 12

4. DISEO CONCEPTUAL ........................................................................................................... 13

4.1. SELECCIN DE GENERADOR DE VAPOR.............................................................................................. 13

Forma de calefaccin ..................................................................................................... 13 4.1.1.

Tipo de caldera .............................................................................................................. 13 4.1.2.

Seleccin del tipo de hogar ............................................................................................ 16 4.1.3.

5. DESARROLLO DEL PRODUCTO ............................................................................................... 18

5.1. CALOR NECESARIO A PRODUCIR EN LA CALDERA ................................................................................. 18

5.2. CONSUMO DE COMBUSTIBLE ......................................................................................................... 19

5.3. VOLUMEN MNIMO DEL HOGAR ...................................................................................................... 20

5.4. ANLISIS DE COMBUSTIN ............................................................................................................ 20

Porcentaje de CO2 y O2 producidos en la combustin.................................................... 20 5.4.1.

Entalpia terica de los humos ........................................................................................ 22 5.4.2.

Masa de aire necesaria para la combustin .................................................................. 24 5.4.3.

Flujo msico de humos obtenidos en la combustin ..................................................... 24 5.4.4.

5.5. RADIACIN DEL HOGAR ................................................................................................................ 26

5.6. ENTALPIA REAL DE LOS HUMOS ....................................................................................................... 28

5.7. ITERACIN PARA ENCONTRAR TG .................................................................................................... 29

5.8. ENERGA CAPTADA POR RADIACIN Y CONVECCIN EN LOS PASOS DE LA CALDERA .................................... 29

Calor restante ................................................................................................................ 29 5.8.1.

Calor captado por conveccin: ...................................................................................... 30 5.8.2.

Calor captado por Radiacin: ........................................................................................ 33 5.8.3.5.8.3.1. Emisividad total de los gases y superficie ................................................................................ 33

5.8.3.1.1. Factor correcion para emisividad del agua ......................................................................... 33 5.8.3.1.2. Presiones parciales y largo caracterstico ............................................................................ 34 5.8.3.1.3. Procedimiento para determinar la emisividad del agua y dioxido de carbono ................... 34 5.8.3.1.4. Procedimiento para determinar el factor de correccion de las emitancia para una mezcla

de vapor y dioxido carbono ............................................................................................................................. 35 Resultados de la iteracion .............................................................................................. 35 5.8.4.

3

5.9. COLECTOR DE POLVOS .................................................................................................................. 37

Teoria del material particulado ..................................................................................... 37 5.9.1.

Caracteristicas del material particulado PST ................................................................. 37 5.9.2.

Funcionamiento del separador de cicln ....................................................................... 37 5.9.3.Figura 4 Doble torbellino en cicln .......................................................................................................... 38

Diseo del separador de cicln ...................................................................................... 38 5.9.4.5.9.4.1. Iteracion para encontrar el Diametro del ciclon...................................................................... 38

5.9.4.1.1. Area y velocidad de entrada al ciclon .............................................................................. 38 5.9.4.2. Patrones de flujo o circulacin ................................................................................................ 39 5.9.4.3. Caida de presin ...................................................................................................................... 40 5.9.4.4. Diametro minimo de las particulas que separa el ciclon y Tamao del corte. ........................ 40 5.9.4.5. Rendimiento de separacion..................................................................................................... 41 5.9.4.6. Resultados iteracion diametro cicln ...................................................................................... 42

5.10. CALCULO DE DENSIDADES Y VELOCIDAD DE LOS HUMOS EN DISTINTOS PUNTO DEL GENERADOR DE VAPOR 42

5.11. CHIMENEA ............................................................................................................................. 48

Tiro natural de la chimenea .......................................................................................... 48 5.11.1.

Perdidas total de presion en los humos ........................................................................ 49 5.11.2.5.11.2.1. Perdidas a traves de los distintos conductos de humo ......................................................... 49 5.11.2.2. Perdidas por expansion ......................................................................................................... 52 5.11.2.3. Perdidas por contracin ........................................................................................................ 54 5.11.2.4. Perdidas en los codos. ........................................................................................................... 57 5.11.2.5. Perdida en la parrilla. ............................................................................................................ 59

Tiro necesario. ............................................................................................................... 59 5.11.3.

Ventilador ...................................................................................................................... 60 5.11.4.

5.12. PARRILLA ............................................................................................................................... 60

5.14. CLCULOS DE REDES ................................................................................................................ 64

Dimetros de caeras .................................................................................................. 64 5.14.1.

Prdidas de carga en la red ........................................................................................... 66 5.14.2.

5.15. RED DE CONDENSADO .............................................................................................................. 70

Dimensionamiento de la red de condensado. ............................................................... 70 5.15.1.

Presin en la red de condensado ................................................................................... 70 5.15.2.

Anlisis y seleccin trampa de vapor ............................................................................ 70 5.15.3.

5.16. ELECCIN TRAMPAS DE VAPOR................................................................................................... 75

5.17. DILATACIN Y SOPORTE DE CAERAS .......................................................................................... 77

5.18. SELECCIN DE BOMBA .............................................................................................................. 79

NSPH requerido ............................................................................................................. 82 5.18.1.

5.19. INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA CALEFACCIN ........................................................................... 93

5.19.1. Clculos preliminares para el nmero de tubos ............................................................ 95

5.19.2. Clculos de entalpias ..................................................................................................... 96

5.19.3. Presin de diseo ........................................................................................................ 101

5.19.4. Espesor de la coraza y cabezales ................................................................................. 101

Deflectores .................................................................................................................. 102 5.19.5.

.Acoplamientos............................................................................................................ 103 5.19.6.

Espejos y tapas del intercambiador ............................................................................ 103 5.19.7.

Pernos y distribucin ................................................................................................... 104 5.19.9.

nodo de sacrificio .................................................................................................... 104 5.19.10.

4

5.20. Dimensionamiento de una central de acumulacin de agua caliente sanitaria (ACS)

para duchas 105

5.20.1. Seleccin de intercambiador de calor para ACS de duchas ......................................... 105

5.20.2. Seleccin de estanque acumulador de ACS ................................................................. 106

5.21. Seleccin de intercambiador de calor para lavandera................................................ 108

5.22. Tanque de condensado ................................................................................................ 109

6. ANEXOS ............................................................................. ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.

5

INDICE DE TABLAS

Tabla 1: parmetros asignados ................................................................................................ 11

Tabla 2: parmetros provenientes de la Norma ...................................................................... 11

Tabla 3: parmetros variables ................................................................................................. 12

Tabla 4: anlisis Pro-Con, caldera escocesa modificada para combustibles slidos .............. 14

Tabla 5: anlisis Pro-Con, caldera kewanee (compacta) ........................................................ 15

Tabla 6: matriz de Pugh .......................................................................................................... 15

Tabla 7: propiedades del carbn a utilizar .............................................................................. 17

Tabla 8: tipos de parrillas mviles .......................................................................................... 17

Tabla 9: composicin qumica del carbn a utilizar ............................................................... 20

Tabla 10: Peso molecular de los productos de la combustin del carbn ............................... 24

Tabla 11: Flujo msico de cada componente del humo .......................................................... 25

Tabla 12: resultados iteracin ................................................................................................. 36

Tabla 13: Dimensiones del cicln ........................................................................................... 42

Tabla 14: valores en funcin del dimetro del cicln ............................................................. 42

Tabla 15: Caudales volumtricos, dimetros y velocidades en las redes segn central .......... 66

Tabla 16: Caudal volumtrico, dimetro y velocidad de la matriz ......................................... 66

Tabla 17: Nmero de Reynolds para cada central .................................................................. 68

Tabla 18: Nmero de Reynolds para la matriz ....................................................................... 68

Tabla 19: Rugosidades relativas para las distintas centrales ................................................... 68

Tabla 20: Prdidas de carga singulares de cada central .......................................................... 69

Tabla 21: Prdidas de carga regulares para cada central ......................................................... 69

Tabla 22: Prdida de carga regular para la matriz ................................................................... 69

Tabla 23 Tabla de condensado por lnea de vapor .................................................................. 71

Tabla 24 Cantidad de vapor flash ........................................................................................... 72

Tabla 25 Dimetro de lneas de condensado ........................................................................... 73

Tabla 26 Masa de condensado de retorno ............................................................................... 73

Tabla 27 Dimetro de lneas de retorno .................................................................................. 74

Tabla 28 Aislantes de condensado red de vapor ..................................................................... 74

Tabla 29 Red Condensado-Consumo ...................................................................................... 74

Tabla 30 Datos para la selccin de trampa ............................................................................. 75

Tabla 31 Velocidad segn tipo de flujo .................................................................................. 80

Tabla 32 Dimetro de caera estanque-bomba ...................................................................... 81

Tabla 33 Caracterstica de bomba ........................................................................................... 83

Tabla 1: Propiedades del vapor a su temperatura de saturacin ............................................. 87

Tabla 2: Nmero de Nusselt y valores de los coeficientes de transferencia de calor por

conveccin para las distintas centrales .............................................................................................. 87

Tabla 3: Nmero de Nusselt y valor del coeficiente de transferencia de calor por conveccin

en la matriz ........................................................................................................................................ 87

Tabla 4: Propiedades de aire seco a temperatura de pelcula .................................................. 88

Tabla 5: Nmeros de Grashof para cada central ..................................................................... 88

Tabla 6: Nmero de Nusselt para la matriz ............................................................................. 88

Tabla 7: Valores de los nmeros de Nusselt exteriores sin considerar aislacin .................... 89

Tabla 8: Valores del nmero de Nusselt para la matriz sin aislacin ..................................... 89

6

Tabla 9: valores de prdidas de calor sin aislacin ................................................................. 89

Tabla 10: Valores de las prdidas de calor en funcin del espesor del aislante en la matriz .. 90

Tabla 11.precios para espesores de 4" caos pre moldeados fuente: aislam .......................... 91

Tabla 12. Costos de inversin y prdidas de energa .............................................................. 91

Tabla 13. Variables del mtodo general para el clculo de espesor optimo en la matriz ........ 92

Tabla 14. Espesor optimo econmico para las redes .............................................................. 93

Tabla 26: Caracterstica del tubo del intercambiador de calor ................................................ 96

Tabla 27: Especificaciones intercambiador QuickHeat - Spirax Sarco ............................... 109

INDICE DE FIGURAS

Figura 1: diagrama de consideraciones para el tipo de hogar ................................................. 16

Figura 2: diagrama de Ostwald ............................................................................................... 22

Figura 3: Bosquejo del hogar .................................................................................................. 28

Figura 4 Doble torbellino en cicln ........................................................................................ 38

Figura 5 Caudales de vapor flash ............................................................................................ 73

Figura 6 Eleccin de trampa ................................................................................................... 76

Figura 7 ................................................................................................................................... 76

Figura 8 Caractersticas trampa de vapor ................................................................................ 77

Figura 9 Tipo de soporte para caera ..................................................................................... 79

Figura 10 Seleccin de bomba ................................................................................................ 83

Figura 11 Bomba Elctrica Altamira T1, X20-10 (2HP) ........................................................ 83

Figura 12 NPSHR requerido ................................................................................................... 84

Figura 13. Representacin de resistencias en una caera aislada. ......................................... 85

Figura 14: Extracto de la nomenclatura de intercambiadores de calor carcasa y tubos ...... 93

Figura 15 Distribucin de tubos .............................................................................................. 98

Figura 16: Corte en deflectores ............................................................................................ 102

Figura 17: Sujecin espejos, espejos y tapas ....................................................................... 103

Figura 18: nodo de sacrificio ............................................................................................. 104

Figura 19: Intercambiador de calor coraza y tubos ............................................................... 105

Figura 20: Intercambiador de calor QuickHeat QH2S-S-PN-APT ....................................... 106

Figura 21: Tanque de acumulacin de ACS seleccionado .................................................... 108

Figura 6: Carta Gantt parte I ................................................................................................. 114

Figura 7: Carta Gantt, parte II ............................................................................................... 114

Figura 22 Factor Fa ............................................................................................................... 118

Figura 23 Factor Fc y Fs ....................................................................................................... 119

Figura 24 Factor Ff ............................................................................................................... 119

Figura 25 Emisividad del agua.............................................................................................. 120

Figura 26 Factor de correccin de la emisividad del agua .................................................... 120

Figura 27 Emsividad de CO2 ................................................................................................ 121

Figura 28 Caractersticas de los colectores de partcula ....................................................... 123

Figura 29 Proporciones del separador de partculas ............................................................. 123

Figura 30 Rendimiento de separacin de ciclones. ............................................................... 123

Figura 31 Ensanchamiento brusco ........................................................................................ 124

7

Figura 32 Contraccin brusca ............................................................................................... 124

Figura 33 Presin dinmica en mm de agua ......................................................................... 125

Figura 34 Prdida dinmica en porcentaje ............................................................................ 125

Figura 35 Prdida de carga en la parrilla .............................................................................. 126

Figura 36 Ducto con una entrada y salida de humo .............................................................. 127

Figura 37 Ubicacin de la chimenea con respecto a obstculos exteriores segn norma

espaola. .......................................................................................................................................... 129

Figura 38.indicador de nivel serie 23 Fuente: catalogo todos los productos APOLLO

VALVES ......................................................................................................................................... 135

Figura 39. sonda de nivel capacitivo LP-20 fuente: www.termodinamica.cl ....................... 136

Figura 40. Alarma sonoro EX d marca Honeywell fuente: catalogo Honeywell .................. 136

Figura 41.alarma visual EX dmarca Honeywell fuente: catalogo Honeywell ...................... 137

Figura 42. Manmetro BOURDON HAINNE Fuente: catalogo vignola ............................. 138

Figura 43. Sifn tipo R Fuente: catalogo vignola ................................................................. 138

Figura 44.valvula para manmetro Fuente: www.termodinamica.cl .................................... 139

Figura 45. Termmetro Marca WINTERS fuente: www.fitvalv.cl ...................................... 139

Figura 46.vlvula de purga Fuente: www.fitvalv.cl .............................................................. 140

Figura 47. Tapon fusible Marca fuente: www.ruelco.com ................................................... 140

Figura 48. Vlvula de seguridad marca klunkle Fuente: www.termodinamica.cl ................ 141

Figura 49. Vlvula de globo Marca KSB Fuente: www.termodinamica.cl .......................... 143

Figura 50. Vlvula de bola Marca NIBCO Modelo T-507 fuente:

www.valvulasindustriales.com ........................................................................................................ 144

Figura 51.vlvula de bola Marca VISA Fuente: www.valvulasindustriales.com ................. 144

Figura 52. Grafico clasificacin de temperatura y presin Fuente: ...................................... 145

Figura 53. Filtro Marca Spirax sarco Modelo AF-250 ......................................................... 146

Figura 54. Vlvula reductora de presin Marca Spirax Sarco .............................................. 147

Figura 55.Junta de expansin Marca MAGOLA Fuente: www.termodinamica.cl ............... 147

Figura 56. Vlvula rompedora de vaco Fuente: www.termodinamica.cl ............................ 148

Figura 57. Vlvula de retencin Marca DANFOSS-SOCLA Fuente: www.termodinamica.cl

......................................................................................................................................................... 149

Figura 58. Manmetro Bourdon hainne Fuente: catalogo vignola ....................................... 149

Figura 59. Sifn tipo R marca BAUMER fuente: catalogo vignola ..................................... 150

Figura 60.valvula Marca WAREE fuente: www.termodinamica.cl...................................... 150

Figura 61. Fitting acero al carbono Fuente: www.valvulasindustriales.com ........................ 151

Figura 62. vlvula de seguridad marca klunkle Fuente: www.termodinamica.cl ................. 152

8

INTRODUCCIN

El siguiente documento expone un proyecto mecnico de estudiantes de Pregrado de la Carrera

Ingeniera Civil Mecnica de la Universidad Austral de Chile, que cuenta con un sistema de estudio

denominado Aprendizaje Basado en Problemas (PBL, por sus siglas en ingles), donde los

estudiantes tienen la posibilidad de afrontar casos ingenieriles de ndole real siempre en un

ambiente acadmico.

El desarrollo del proyecto mecnico permite al equipo de diseo aplicar los conocimientos

ingenieriles otorgados de mecnica de fluidos, termodinmica y transferencia de calor con un

trabajo en equipo para dar solucin al caso presentado.

El proyecto se obtiene de una modificacin a la licitacin Reposicin de calderas hospital

de Linares del Ministerio de Salud del Gobierno de Chile para adaptarlo a los estndares

acadmicos, donde el tema principal es el diseo de una caldera y su red de transporte trmico para

el remplazo de otras dos que se encuentran actualmente instaladas, con el fin de satisfacer el

consumo de vapor de las dependencias del hospital; para lavandera, central de esterilizacin,

central de alimentos, calefaccin y agua caliente sanitaria.

9

1. PROBLEMA DE DISEO

1.1. Definicin del Problema

El Hospital de Linares requiere satisfacer las necesidades de vapor, con una nueva caldera a

carbn.

1.2. Objetivo

Disear un generador de vapor, incluyendo abastecimiento y redes de suministro, adems de un

intercambiador de calor.

Objetivos especficos 1.2.1.

Elaborar una planificacin para el diseo.

Generar un concepto que satisfaga las necesidades y requerimientos de los

clientes.

Respaldar las decisiones de dimensionamientos y asignacin de materiales por

medio de memorias de clculo.

Confeccionar documentos para la fabricacin y operacin.

1.3. Limitaciones

El presente proyecto es de carcter trmico, es decir, la prioridad es aplicar el conocimiento de

transferencia de calor, mquinas trmicas y en menor medida mecnica de fluidos, obviando la

resistencia mecnica de los materiales con excepcin de la caldera y el estanque para el agua

caliente.

Sobre la licitacin cdigo BIP: 30128422, slo se considera la presin de trabajo y la

produccin de masa de vapor necesaria. Para el resto de parmetros, se asimilan los que estn

descritos en Parmetros asignados (ms adelante en punto 0).

Por ltimo, en cuanto a los componentes y accesorio de la caldera, se seleccionarn de

acuerdo a criterios tcnicos y con argumento de eleccin mediante clculos.

2. PLANIFICACIN DEL PROYECTO

Para el correcto desarrollo del proyecto, se disea una planificacin empleando las seis fases

fundamentales del proceso de diseo (Ullman, 2010, pg. 80), a travs de la forma State

Gate(Ullman, 2010, pg. 113). A continuacin se mencionan las seis fases, las cuales se deben

desarrollar de forma secuencial, estableciendo un periodo de decisin al finalizar cada una de

ellas.

Por las condiciones del proyecto, se obvia el Descubrimiento del producto, ya que

esta informacin fue entregada por los docentes encargados.

Descubrimiento del producto

Planificacin del proyecto

Definicin del producto.

Diseo conceptual

Desarrollo del producto

Soporte del producto

10

Para la fase de planificacin se elabora una Carta Gantt (anexo: Error! No se

encuentra el origen de la referencia.), acorde a los plazos propuestos para entrega de avances

y entrega final.

3. DEFINICIN DEL PRODUCTO

Para otorgar calidad al proyecto, se debe entender el problema de diseo, por lo que es necesario

seleccionar un mtodo para asegurar la comprensin de las necesidades de los clientes.

3.1. Definicin de requerimientos y especificaciones

Para el correcto entendimiento del problema de diseo, se estudian distintos mtodos para

definir el producto, tales como la Seleccin de Alternativas(Cajas Argero , 2011, pgs. 81 -

87),rbol de Objetivos(Snchez Guerrero, 2013, pgs. 253-261), entre otros. Luego de una

evaluacin, el equipo de diseo decide utilizar el mtodo Quality Funtional Deployment

(Q.F.D.) (Ullman, 2010, pgs. 143-170), ya que engloba, sintetiza y otorga una mejor

implementacin para la conexin entre requerimientos y especificaciones tcnicas.

El primer paso requerido por el mtodo Q.F.D. es definir los requerimientos bsicos que

exigen los clientes, directa e indirectamente:

Requerimientos 3.1.1.

Buen rendimiento: administrar los recursos disponibles para aumentar su rendimiento y disminuir prdidas que impliquen mayores costos al cliente.

Fcil mantenimiento: agilizar las tareas de mantencin, disminuir los recursos necesarios (personal y maquinarias).

Fcil operacin: facilitar el flujo de informacin hacia los operarios y las tareas de abastecimiento.

Fcil montaje: administrar los recursos para disminuir los gastos en el montaje, adems de hacer posible el traslado y la instalacin de piezas.

Seguridad: prevenir accidentes que ocurran por daos que sufra la caldera con el fin de proteger a las personas cercanas.

Durabilidad: tomar decisiones que involucren el menor dao posible al producto, para aumentar la durabilidad de ste.

Especificaciones de ingeniera 3.1.2.

Las especificaciones tienen como objetivo traducir los requerimientos anteriores, a un lenguaje

ingenieril o tcnico. Entre estos se diferencian: los parmetros asignados, parmetros

provenientes de normas y parmetros variables.

11

3.1.2.1. Parmetros asignados

El proyecto en particular, exige ciertas especificaciones fijas, que contemplan parmetros

impuestos por los clientes y por la propuesta de licitacin Reposicin de Calderas Hospital de

Linares (cdigo BIP: 30128422-0, Ministerio de Salud, Gobierno de Chile), que se enlistan en

la Tabla 1:

TABLA 1: PARMETROS ASIGNADOS

N Parmetro Medida

1 Humedad del combustible (base seca) 30 2 Poder calorfico del combustible 6.500 3 Calidad del vapor 95 4 Presin de entrada 1,033

5 Presin de trabajo 7

6 Presin de diseo 7,7

7 Produccin de vapor 3.000 8 Temperatura de entrada 80 9 Consumo de lavandera 350 10 Consumo de alimentacin 200 11 Consumo de esterilizacin 300 12 Consumo de agua caliente 300 13 Consumo de calefaccin 1.800

3.1.2.2. Parmetros provenientes de la Norma

El Decreto Supremo N 48 de 1984 de la Repblica de Chile, aprueba el Reglamento de

calderas y generadores de vapor que exige entre otras cosas, que los parmetros mostrados en

la Tabla 2 se cumplan:

TABLA 2: PARMETROS PROVENIENTES DE LA NORMA

N Parmetro Medida

1 Acidez del agua Mayor a 7 2 Dureza del agua Menor a 35 3 Vlvulas de seguridad Al menos 1

4 Tapa hombre Al menos 1

5 Tapa de inspeccin Al menos 1

6 Puertas de explosin Al menos 1

7 Nmero de alarmas Al menos una visual y una acstica.

8 Distancia hacia equipos o paredes Al menos 1 . 9

10

11

12

13

14

N de mtodos de suministro de agua

Distancia entre ductos de agua caliente ms

altos y nivel de operacin mnimo de la

caldera

Distancia sobre el pasillo ms elevado.

Dimetro nominal del tubo de alimentacin

para superficies de calefaccin menores a

Dimetro nominal del tubo de alimentacin

para superficies de calefaccin mayores a

Presin de alimentacin

Mnimo 2, 1 independiente de la

electricidad

100

1.800 13

El correspondiente para transportar 1,5

veces la capacidad mxima de

vaporizacin.

1,25 veces la presin de trabajo.

12

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

Nmero de tubos de desage

Temperatura de ebullicin del material del

tapn fusible

Presin de activacin de la vlvula de

seguridad.

Presin a la que evaca los gases la vlvula

de seguridad.

Presin a la que la vlvula de seguridad

debe dejar de liberar gases.

Nmero de manmetros.

Capacidad del manmetro.

Dimetro mnimo del manmetro

Temperatura mxima a la que debe

exponerse el manmetro.

Nmero de medidores de agua.

Distancia entre el lmite inferior del nivel

de agua y el punto ms alto de la superficie

de calefaccin.

Distancia del nivel mnimo de agua

Dimetro interior mnimo de los tubos que

conectan el nivel de agua con la caldera.

Al menos 1

250

Antes de llegar al 90 de la presin mxima del generador.

Mximo 6 sobre la presin de trabajo

No ms bajo que un 4 de la presin de trabajo

Al menos 1

Al menos 1,5 veces la presin mxima del

generador

100 50

Al menos 2

Al menos 30

A 1/3 del tubo, medido desde la parte

inferior

13

3.1.2.3. Parmetros variables

Los siguientes parmetros son obtenidos tras realizar un anlisis a la matriz Q.F.D., donde stos

representan los requerimientos de los clientes, ver Tabla 3:

TABLA 3: PARMETROS VARIABLES

N Parmetro

1 Nmero de aristas de la caldera

2 Nmero de pasos de humos

3 Eficiencia de la caldera

4 Largo de la caldera

5 Alto de la caldera

6 Ancho de la caldera

7 Nmero de procesos automticos

En la confeccin de la matriz Q.F.D no se consideran los parmetros asignados y los

parmetros de Norma, ya que sta slo considera aquellos parmetros que pueden variar y los

que pueden ocasionar cambios en los requerimientos de los clientes.

Adems de lo anterior, se analizan relaciones entre especificaciones y requerimientos,

relaciones entre especificaciones y calificacin de un competidor frente al cumplimiento de

estos requerimientos y especificaciones (en el anexo de la QFD).

13

4. DISEO CONCEPTUAL

Se procede a evaluar, en base a una revisin bibliogrfica, las distintas caractersticas que debe

tener un generador de vapor, con el objetivo de seleccionar la forma de calefaccin, tipo de

caldera a utilizar, tipo de hogar y parrilla. Esta fase es necesaria para el desarrollo de clculos

que exige ciertos coeficientes dependientes de algunas caractersticas de la caldera.

4.1. Seleccin de generador de vapor

Forma de calefaccin 4.1.1.

Se realiza la seleccin del tipo de calefaccin a utilizar, a travs de una revisin bibliogrfica

del libro Calderas: tipos, caractersticas y sus funciones(Shield, 1973, pgs. 20 - 70) y

apuntes de clases Instalaciones trmicas (Paredes, 2013, pg. 6), concluyendo lo siguiente: se

utilizar una caldera de tubos de humos, ya que Se usan en instalacin pequeas y baratas,

donde la presin es menor que 10,5 , la capacidad es menor a 5.400 , con

presin mxima de 17,6 (Paredes, 2013, pg. 6).

Tipo de caldera 4.1.2.

Para la eleccin de la caldera, se considera el tipo de calefaccin seleccionado en el punto

anterior y los factores establecidos por los clientes:

Posicin: horizontal.

Tipo de combustible: combustible slido (carbn bituminoso).

Presin de trabajo: 7 .

Trabajar con vapor saturado con 95% de calidad.

Se investigan los tipos de calderas que permiten satisfacer los factores mencionados,

(Paredes, 2013, pgs. 5 - 8). Preseleccionando las calderas tipo escocesas y las compactas o

kewanee.

Para decidir qu tipo de caldera utilizar, se considera una caldera escocesa modificada

para combustibles slidos y una caldera compacta, se realiza un anlisis Pro-Con(Ullman, 2010,

pgs. 102 - 105), independiente para cada tipo de caldera, permitiendo observar sus

caractersticas fundamentales, ver Tabla 4 y 5

14

TABLA 4: ANLISIS PRO-CON, CALDERA ESCOCESA MODIFICADA PARA

COMBUSTIBLES SLIDOS

Anlisis PRO-CON

Organizacin de diseo: Grupo 2, VII Semestre Fecha: 23/04/2013

Tema del anlisis Pro-Con: Caldera escocesa modificada para combustible slido

Pro:

- Mayor superficie de calefaccin. (3)

- Fcil de limpiar. (2)

- Fcil de disear. (1)

- Mnimo de material refractario necesario.

(1)

- Puede operar bien con aguas

contaminadas. (1)

- Es econmica en sus costos iniciales. (2)

Con:

- La llama del carbn no se adapta

perfectamente a la forma cilndrica del

fogn. (2)

- No dispone de grandes superficies para la

parrilla cuando se utiliza combustibles

slidos. (3)

- No es precisamente adecuada para la

alimentacin mecnica de combustible.

(2)

Miembro del Equipo: Cristian Aguilar

Preparado por: grupo 2, VII Semestre

Miembro del Equipo: Felipe Cazaux

Revisado por: equipo de diseo

Miembro del Equipo: Hardy Muoz

Aprobado por: equipo de diseo

Miembro del Equipo: Erney Silva

Miembro del Equipo: Jos Manuel Soto

The Mechanical Design Process Designed by Professor David G. Ullman

Copyright 2008, McGraw Hill Form # 8.0

15

TABLA 5: ANLISIS PRO-CON, CALDERA KEWANEE (COMPACTA)

Anlisis PRO-CON

Organizacin de diseo: Grupo 2, VII Semestre Fecha: 23/04/2013

Tema del anlisis Pro-Con: Caldera Kewanee (compacta)

Pro:

- Bajo costo de instalacin. (1)

- Posee el mximo de superficie de

calefaccin para el carbn. (3)

- Es ideal para combustible slido. (2)

- Su eficiencia es superior a todos los otros

tipos de calderas. (3)

- Se adapta de mejor forma a la llama del

carbn. (2)

- Fcil remocin de fluses. (1)

Con:

- Mayor acumulacin de lodo. (1)

- Difcil de fabricar. (1)

- Poco adaptable a modificaciones. (1)

Miembro del Equipo: Cristian Aguilar

Preparado por: grupo 2, VII Semestre

Miembro del Equipo: Felipe Cazaux

Revisado por: equipo de diseo

Miembro del Equipo: Hardy Muoz

Aprobado por: equipo de diseo

Miembro del Equipo: Erney Silva

Miembro del Equipo: Jos Manuel Soto

The Mechanical Design Process Designed by Professor David G. Ullman

Copyright 2008, McGraw Hill Form # 8.0

Finalmente, para otorgar objetividad a la eleccin, sta se realiza a travs de un mtodo

de decisin, utilizando una matriz de Pugh (Tabla 6), en base a criterios extrados de la matriz

Q.F.D. Se concluye que la caldera que mejor se adapta a las necesidades de los clientes es la

compacta o Kewanee.

TABLA 6: MATRIZ DE PUGH

Tema: Eleccin de caldera, entre escocesa

modificada y Kewanee.

Esc

oce

sa

Kew

anee

Buen rendimiento 35 %

Dat

um

1

Fcil mantenimiento de la caldera 18 % -1

Fcil operacin de la caldera 12 % 0

Fcil montaje de la caldera 13 % 0

Seguridad de la caldera 10 % 0

Durabilidad 12 % 0

Peso total 17

16

Seleccin del tipo de hogar 4.1.3.

Existen variadas formas de categorizar un hogar, sin embargo se consideran principalmente

segn el tipo de combustible, posicin del hogar, tipo de parrilla y tipo de carga. Las

caractersticas que impliquen una mejora en el rendimiento y durabilidad de la caldera se

analizarn ms adelante.

FIGURA 1: DIAGRAMA DE CONSIDERACIONES PARA EL TIPO DE HOGAR

Se escoge la posicin interior, ya que tiene la ventaja de aprovechar mejor el calor

irradiado, adems es utilizado para combustibles de alto poder calorfico, a diferencia del

antehogar que tiene menos superficie de calefaccin (a menos que sea refrigerado, lo que

implica mayor costo) y es utilizado para combustibles de poco poder calorfico (Paredes, 2013,

pg. 7) (Dubbel, 1965, pg. 9). El hogar inferior no se menciona porque se utiliza para calderas

acuotubulares.

De antemano, s sabe que el combustible a quemar en la cmara de combustin es slido;

especficamente carbn bituminoso, lo que requiere de un hogar con parrilla.

Se descarta la posibilidad de carga manual, debido a una combustin no uniforme

producto de la alimentacin intermitente del operador. Por tanto, se contempla en el diseo de

un hogar con carga mecnica.

En cuanto a la parrilla, se opta por una mvil, ya que tiene la ventaja de no producir zonas

calientes en la misma parrilla aumentando as su durabilidad. Adems distribuye la carga del

combustible, minimizando la prdida de ste en las cenizas, incrementando as el rendimiento

de la caldera.

En la A continuacin se presentan las propiedades del carbn a emplear (Tabla 1),

informacin necesaria para realizar los clculos posteriores.

TABLA 7: PROPIEDADES DEL CARBN A UTILIZAR

Propiedades del carbn trmico bituminoso

Poder calorfico ( ) 6.500 Porcentaje de cenizas 11 14 (9.1) Humedad total 8 10 (5.2) Material voltil 38 42 (40.2) Temperatura de fusin de la ceniza 1.300 Granulometra 8 25 Carbono fijo 50,7

17

Tabla 8, se muestran distintos tipos de parrillas mviles extrados de la literatura (Dubbel,

1965, pgs. 9 - 23) y (Gaffert, 1954, pgs. 300 - 314), de los cuales los dos ms convenientes

para el carbn bituminoso son las parrillas con cadenas y parrillas fijas con lanzamiento. Este

ltimo implica moler el grano y luego lanzarlo con algn mecanismo, lo que acrecienta la

inversin en tiempo de diseo y dinero, adems de necesitar un colector mecnico para las

cenizas voltiles. En cambio las parrillas de cadena son ms simples y generan un aumento de

rendimiento similar a las de lanzamiento. Otro punto a favor para las parrillas de cadena es el

aprovechamiento del carbn hasta agotar su materia combustible, slo regulando la velocidad de

la parrilla. Por estos motivos se escoge la parrilla mvil de cadenas.

A continuacin se presentan las propiedades del carbn a emplear (Tabla 1), informacin

necesaria para realizar los clculos posteriores.

TABLA 7: PROPIEDADES DEL CARBN A UTILIZAR

Propiedades del carbn trmico bituminoso

Poder calorfico ( ) 6.500 Porcentaje de cenizas 11 14 (9.1) Humedad total 8 10 (5.2) Material voltil 38 42 (40.2) Temperatura de fusin de la ceniza 1.300 Granulometra 8 25 Carbono fijo 50,7

TABLA 8: TIPOS DE PARRILLAS MVILES

N Tipo de parrilla Para combustibles:

Consumo por

tonelada de

combustible

1 Parrilla plana con carga

mecnica (de lanzamiento)

Con grano uniforme 0.193 0.483

2 Parrillas de escalera Solido rico en agua, con elevado

contenido de gas, principalmente lignito

sin lavar, viruta de madera, turba con

poder calorfico menor a4000

---

3 Parrillas de artesa --- ---

4 Parrillas mviles de

cadenas

Variados: lignitos cargado con humedad

y rico en cenizas, para los que aglutinan

mucho grano fino

0.5 / 10

5 Parrilla mvil de zonas Slidos desde hulla de buena calidad con

ms de 3% en voltil, hasta polvo de

coque y bajo poder calorfico

---

6 Parrilla de carga mecnica

por debajo

De carbones con 15-20% voltiles,

contenido de cenizas de 20%, humedad

15%, cualquier tamao de grano

1-2

7 Parrillas con movimiento

de avance

Solidos de escaza potencia calorfica,

por lo general lignitos en bruto 0.5-1

18

8 Parrillas de artesa

mecnicas

Lignitos y turbas gangosas, carbones

ricos en cenizas 1-1.75

9 Parrillas de carga mecnica

con retroceso

De carbn hasta 40% cenizas, lignitos

brutos hasta con 60% de agua, carbn

piedra, bajo y medio poder calorfico

1-2

10 Harrington (retorta simple

o mltiple)

Menudos de antracita, coque y lignito 1.1-2.8

11 Babcock &Wilcox Antracita cribada, en polvo, bituminoso,

lignito y cisco de coke

---

5. DESARROLLO DEL PRODUCTO

5.1. Calor necesario a producir en la caldera

De acuerdo al flujo msico ( ) solicitado por los clientes de 3.000 y considerando

adems que se pide vapor saturado con un 95 % de calidad a una presin de trabajo absoluta de

8,033 es posible calcular la cantidad de energa que se necesita para producir vapor

saturado (datos en Tabla 1: parmetros asignados).

Dicho clculo se realiza con la ecuacin (5.1.1):

Dnde:

: Flujo de calor necesario para generar vapor saturado en

: Flujo msico en

: Entalpia de entrada a la caldera en

: Entalpia de salida a la caldera en

La entalpia de entrada se puede obtener con la ayuda de las Tablas termodinmicas

(Paredes Cifuentes, 2012, pg. 2), asumiendo una temperatura de condensado del lquido de

80 (en estricto rigor es un lquido subenfriado y debera tratarse como tal, pero como las

propiedades son semejantes a las del vapor saturado a dicha temperatura, entonces es posible

tratarlo como vapor saturado lo cual facilita el clculo), el resultado es el siguiente:

La entalpia de salida se obtiene a partir de la ecuacin (5.1.2) y el uso de las Tablas

termodinmicas(Paredes Cifuentes, 2012, pg. 8) para encontrar las dos entalpias faltantes del

vapor saturado de acuerdo a la presin de trabajo de 8 .

Datos:

( )

( )

(5.1.1)

(5.1.2)

19

De la ecuacin (5.1.2) se tiene que:

Reemplazando en ecuacin (5.1.1) se tiene:

Este ltimo valor representa el calor que debe producir la caldera para generar los

, con las condiciones de entrada y salida de establecidas.

5.2. Consumo de combustible

El consumo de combustible solicitado por la caldera se obtiene a partir de la ecuacin (5.2.1):

Dnde:


: Rendimiento de la caldera

: Poder calorfico inferior del combustible base seca en

:

El rendimiento de una caldera a carbn, promediado del rango otorgado por

(Gaffert, 1954, pg. 212) es de:

El poder calorfico inferior del carbn en base seca, obtenido de la (Tabla 7):

Reemplazando en ecuacin (5.2.1):

(5.2.1)

20

5.3. Volumen mnimo del hogar

El clculo del volumen mnimo del hogar se obtiene a partir de la ecuacin (5.3.1):

Dnde:

: Factor de sobrecarga


: Rendimiento de la caldera

: factor de sobre carga se asignado por el equipo de diseo,

considerando que la carga de carbn y la parrilla del hogar son mecnicas es:

: Carga calorfica de la cmara de combustin, obtenida de la

literatura de acuerdo al tipo de hogar y combustible (Perry, 1966, pg. 1534).

Reemplazando los datos en la ecuacin (5.3.1):

5.4. Anlisis de combustin

Para seguir con los clculos en el desarrollo del producto es necesario realizar un

anlisis de combustin, el que proporcionara valores necesarios para los clculos posteriores.

Porcentaje de CO2 y O2 producidos en la combustin 5.4.1.

A continuacin se muestra la composicin qumica del carbn (Tabla 9), para ser utilizada en

los clculos.

TABLA 9: COMPOSICIN QUMICA DEL CARBN A UTILIZAR

Composicin qumica del carbn trmico bituminoso clase C

62,8% 5,9% 1% 4,3% 8,6% 17,4,%

Fuente: Tabla 2. Anlisis de carbones seleccionados de varias calidades (Perry, 1966)

Para este clculo se acude al diagrama de Ostwald que consiste bsicamente en encontrar

los intercepto de dos rectas graficadas.

Se utilizan principalmente las ecuaciones (5.4.1.1) y (5.4.1.2) que darn origen a las dos

rectas:

(

) (

)

(5.3.1)

(5.4.1.1)

(5.4.1.2)

21

Dnde:

: Porcentaje de dixido de carbono en los gases de combustin

: Porcentaje de monxido de carbono en los gases de combustin

: Porcentaje de oxgeno en los gases de combustin

(

)

Reemplazando los datos de la composicin qumica del combustible (Tabla 9), se

obtiene:

Asumiendo en el mejor de los casos, una combustin completa ( ) y

reemplazando los valores de y en la ecuacin (5.4.1.1), se obtiene la primera recta para el

diagrama de Ostwald:

La segunda recta para el diagrama se obtiene aplicando los valores de , , y un

exceso de aire (i), donde segn (Gaffert, 1954, pg. 212) un valor adecuado para una caldera

carbn con hogares mecnicos es de 30%.

Con la ayuda del software Mathcad Prime 2.0 se obtiene el intercepto entre las rectas

(5.4.1.6) y (5.4.1.7) (Figura 22), dando:

(5.4.1.3)

(5.4.1.4)

(5.4.1.6)

(5.4.1.7)

(5.4.1.5)

22

FIGURA 2: DIAGRAMA DE OSTWALD

Entalpia terica de los humos 5.4.2.

Se realiza un balance estequiometrico lo que da origen a la ecuacin general de la

combustin para 1 kg de combustible base seca, despreciando el combustible que contiene la

ceniza (inquemados) y escoria.

(

) (

)

(

) (

) (

)

(

) (

) (

)

((

)

)

(

)

(

)

(5.4.2.1)

(5.4.2.2)

(5.4.2.3)

(5.4.2.4)

(5.4.2.5)

(5.4.2.6)

(5.4.2.7)

(5.4.2.8)

23

Dnde:

son las entalpias qumicas de

carbono, hidrgeno, oxigeno, nitrgeno, azufre, agua, dixido de carbono y

dixido de azufre respectivamente, (las entalpias de los productos de los gases

pueden variar de acuerdo a la temperatura media de los gases).

son los porcentajes de cada componente

del combustible por cada kilogramo de combustible.

Son los Kmoles de cada producto de los humos

obtenidos en la combustin, por cada kilogramo de combustible base seca.

numero de moles de oxigeno aportados por el aire por cada kilogramo de

combustible base seca.

Se pueden calcular las ecuaciones (5.4.2.2) a la (5.4.2.8) con los datos en la Tabla 9 y los

porcentajes obtenidos en el diagrama de Ostwald (Figura 2), dando los siguientes valores:

La expresin (5.4.2.1) puede escribirse tambin de la siguiente forma:

Dnde:

: Entalpia de los humos terico.

Reemplazando los valores de en la ecuacin (5.4.2.6),

queda reducida a:

(5.4.2.6)

(5.4.2.7)

24

Masa de aire necesaria para la combustin 5.4.3.

En base a la informacin extrada de (Paredes, 2013, pg. 16) se considera el aire

compuesto por un 21% de oxgeno y 79% de nitrgeno en volumen. Por tanto se tiene que:

presenta

tiene

Se tiene de la seccin anterior que el nmero de moles de oxigeno aportados por el aire

por cada kilogramo de combustible base seca es:

Por regla de tres simple se puede obtener el nmero de moles del aire y posteriormente

utilizando el mismo mtodo calcular la masa de aire para cada kilogramo de combustible

necesaria para la combustin:

(

)

Considerando un 30 % de exceso de aire se tiene que:

(

)

Flujo msico de humos obtenidos en la combustin 5.4.4.

TABLA 10: PESO MOLECULAR DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN DEL

CARBN Anlisis Oxigeno Reaccin Peso molecular

(

)

25

A continuacin se presenta en la Tabla 11 los kilogramos de cada reaccin por

kilogramo de combustible. El procedimiento consisti bsicamente en multiplicar el nmero de

moles de la reaccin respectiva (calculado en la seccin 5.4.2) por el peso molecular presentado

en la Tabla 10.

(5.4.1)

Aplicando la ecuacin (5.4.1) a cada producto o reaccin del humo se tienen los

siguientes valores:

TABLA 11: FLUJO MSICO DE CADA COMPONENTE DEL HUMO Reaccin

Peso molecular

(

)

N moles

(

)

%masa

(

)

44 0,052 2,3

18 0,046 0,83

64 0,0013 0,086

28 0 0

32 0,019 0,6

28 0,308 8,6 Total 214 0,4263 12,431

El dato de inters es la masa total de humos por kilogramo de combustible

y tambin se puede extraer el nmero de moles total de humo

.

El flujo msico de humos ser el porcentaje total de masa de humos multiplicado por el

consumo de combustible calculado en secciones anteriores.

(5.4.2)

Remplazando valores obtenidos de Tabla 11 en ecuacin (5.4.2) se tiene:

(

) (

)

26

5.5. Radiacin del hogar

Se utiliza el mtodo de Mullikin descrito en (Paredes, 2013, pg. 25), el que consiste en un

proceso iterativo de la temperatura de los gases , de tal manera que al comparar la entalpia

terica con la entalpia geomtrica, stas no difieran en ms de un 5%.

Mullikin define la radiacin como:

{[

] [

] }

Dnde:

: Radiacin en el hogar en

: Coeficiente que contempla los factores de emisin de las diferentes

superficies, el que se considera como un cuerpo negro ( )

: Coeficiente de radiacin de cuerpos negros equivalente a

.

: Superficie receptora efectiva del factor de absorcin unitario y la

temperatura absoluta , en contacto con el agua en

: Temperatura absoluta de las paredes de la cmara de combustin en

Temperatura promedio en el hogar en

La superficie receptora efectiva se define con los siguientes coeficientes:

Dnde:

: Proyeccin de la cmara de combustin de la superficie en contacto con el

agua

: Coeficiente de reduccin que contempla la disposicin de stos

: Coeficiente de reduccin que contempla la conductividad de la pared

: Coeficiente de reduccin que contempla la capa de holln en los tubos

Factor que depende del porcentaje de la superficie de cmara de

combustin que est en contacto con el agua y del tipo de combustible.

Por lo tanto la expresin (5.5.1) para radiacin en el hogar se puede escribir de la

siguiente forma:

(5.5.1)

(5.5.2)

27

{[

] [

] }

Los coeficientes de la ecuacin (5.5.2) se obtienen de diferentes grficos obtenidos de

(Paredes, 2013) como sigue.

: Valor obtenido de la Figura 24. Al no existir valores para una distribucin de un hogar

interno para calderas pirotubulares, se supone la distribucin A a una distancia entre los

centros de los tubos de 4 veces el radio ( ).

: Valor obtenido de la Figura 25. Se considera un hogar desnudo, sin aletas.

: Valor obtenido de la Figura 25. Se considera una capa de ceniza en el hogar de 10mm

: Se obtiene del grafico de la Figura 26, donde se debe ocupar como dato de entrada la

relacin

. Donde es la superficie de calefaccin, que representa el rea en

en la cual a

un lado hay agua y por el otro hay llama y es la superficie total del hogar igualmente en .

Los valores de y son obtenidos al crear un bosquejo del hogar en software Creo

Parametric 2.0, entregando los siguientes resultados:

Por lo tanto:

Con lo que se obtiene un valor de

(5.5.3)

28

FIGURA 3: BOSQUEJO DEL HOGAR

Reemplazando estos factores y asumiendo adems una temperatura de superficie

que es la suma de la temperatura de saturacin del agua a la presin de trabajo ms

(recomendacin del profesor Marcelo Paredes), La ecuacin (5.5.3) se puede reducir a:

(

) {[

] }

5.6. Entalpia real de los humos

Se toma como volumen de control el hogar de la caldera y aplicando la primera

ley de la termodinmica se realizan un balance de energa con el objetivo de determinar

la entalpia real o geomtrica de los humos:

Donde se define la entalpia de los humos geomtricos:

Se desprecia calor de entrada aportado por el combustible y el aire comburente:

El balance de energa queda:

(5.5.4)

(5.6.1)

(5.6.2)

(5.6.3)

29

Aplicando la expresin para radiacin y entalpia, se tiene:

{[

] [

] }

Despejando la entalpia de los humos geomtricos:

(

){[

]

}

5.7. Iteracin para encontrar Tg

Definidas las entalpias tericas y geomtricas en las ecuaciones (5.4.2.7) y (5.6.5)

respectivamente, se evalan ambas ecuaciones variando la temperatura de los gases hasta que

ambas entalpias se igualen. Esta tarea la realiza un cdigo elaborado en el software Mathcad

Prime 2.0 y una tabla en Excel (Anexo clculo de entalpa terica de los humos) con el que se

encuentra una temperatura de los gases igual a 835,24C con una entalpia de:

.

Al reemplazar esta temperatura obtenida en la radiacin ecuacin (5.5.4), entrega un valor

de:

(

) {[

]

}

5.8. Energa captada por Radiacin y conveccin en los pasos de la

caldera

Se disearan el o los pasos piro tubulares con el objetivo de captar la energa calrica de

los gases de combustin generados en el hogar. El procedimiento de caculo ser definir cada

una de las ecuaciones necesarias para el clculo debido a que es necesario iterar para obtener

valores definitivos.

Calor restante 5.8.1.

Con la radiacin calculada anteriormente y conociendo el flujo de energa total que se

debe producir con la ecuacin (5.1.1), la energa restante es:

Este calor restante debe ser absorbido en los pasos de la caldera por radiacin, conveccin

y conduccin, sin embargo esta ltima se desprecia al tener valores pequeos en comparacin a

la radiacin y conveccin.

(5.6.4)

(5.6.5)

(5.8.1.1)

30

Por lo tanto el calor total en los pasos se expresa como:

Dnde:

Calor total captado en los pasos en

Calor captado por radiacin en los pasos en

Calor captado por conveccin en los pasos en

Calor captado por conveccin: 5.8.2.

Dnde:

en K

La temperatura media de los gases se estima con el promedio de la temperatura de salida

de los tubos y la temperatura de entrada de los tubos, sta ltima se supone 20C menor a la

temperatura del hogar , que fue calculada en la seccin 5.7 (Iteracin para encontrar Tg). En

cambio la temperatura de salida debe ser supuesta con un valor menor a la temperatura de

entrada en los tubos y por medio de iteraciones se comprueba este valor.

La superficie de calefaccin para la ecuacin (5.8.2.1) se obtiene con la superficie de los

tubos y nmeros de stos.

Donde:

(5.8.1.2)

(5.8.2.1)

(5.8.2.3)

(5.8.2.2)

(5.8.2.4)

31

Para calcular el nmero de tubos se debe emplear la ecuacin de caudal y despejar del

rea el nmero de tubos como sigue:

Donde

Para calcular el caudal se estima el volumen con la ley de Avogadro que dice que un mol

de cualquier gas ocupa un volumen de 22.4 litros, se aplica un coeficiente de dilatacin de los

gases y se multiplica por el producto entre el nmero de moles de humos y el consumo de

combustible calculado la seccin 5.2.

Donde:

:Numero de moles de humo por kilogramo de

combustible (ver seccin 5.4.4)

Reemplazando, se puede adoptar la ecuacin (5.8.2.9) como:

(

) (

) (

)

(

)

(5.8.2.6)

(5.8.2.5)

(5.8.2.7)

(5.8.2.9)

(5.8.2.10)

(5.8.2.8)

32

Con lo que al reemplazar la ecuacin (5.8.2.10) en la ecuacin (5.8.2.8), se logra la

expresin:

(

)

Donde la velocidad se fija como , .

Finalmente sustituyendo la ecuacin (5.8.2.11) para el nmero de tubos, en la expresin

(5.8.2.3) para superficie de calefaccin:

(

)

Siguiendo con el desarrollo de la expresin (5.8.2.1) para el calor por conveccin, el

coeficiente de conveccin es obtenido de la siguiente forma:

Donde:

22.8: Constante de correccin obtenida empricamente

La velocidad supuesta que se utiliza en la ecuacin (5.8.2.12), es distinta a la supuesta

para obtener el nmero de tubos, si bien el caudal es el mismo el rea que se debe considerar

ahora es con un nmero entero de tubos, es decir, si el nmero de tubos de la ecuacin es

decimal, ste se debe aproximar al entero superior.

(5.8.2.12)

(5.8.2.13)

(5.8.2.11)

(5.8.2.14)

33

Calor captado por Radiacin: 5.8.3.

Calculado el calor por conveccin de la ecuacin (5.8.2.1), se procede a calcular el calor

por radiacin que tiene la siguiente forma:

(

) (

)

Donde:

Emisividad de la pared corregida. Como la superficie realmente es

gris en lugar de negra, no se deben pasar por alto las reflexiones secundarias.

Entonces se hace una correccin que se e encuentra entre , con

generalmente se considera 0.9. (Perry 2008, 10-68)

5.8.3.1. Emisividad total de los gases y superficie

Debido a que existe una mezcla de y , la emisividad total se determina mediante

la suma de las emitancia del agua multiplicada por un factor de correccin ms el dixido de

carbono, suponiendo que cada compuesto existe por separado restndole luego un factor delta

emisividad que se toma en cuenta para la emisin

Donde:

5.8.3.1.1. Factor correccin para emisividad del agua

Al calcular la emisividad del agua es necesario aplicar un factor de correcion debido a

que las tablas estn elaboradas para la emisividad a 1 atm, por lo tanto, si se deseea obtener ste

valor para presiones distinta se debe considerar el factor k de la Figura 28.

(5.8.3.1)

(5.8.3.1.1)

(5.8.3.1.1.1)

(5.8.3.1.1.2)

(5.8.3.1.1.3)

34

Para obtener las emisividades del agua y del dixido de carbono, se utilizan las Figura

27y Figura 29 en las cuales se debe ingresar con la temperatura respectiva ( para los gases

y para la superficie) y el producto entre las presiones parciales de los humos con la longitud

caracterstica de los tubos.

5.8.3.1.2. Presiones parciales y largo caracterstico

Las presiones parciales indican la presin que ejerce cada compuesto por s solo, donde

stas son porcentajes de la presin total que ejerce los humos totales. Si se desprecia el

porcentaje de monxido de carbono y bajo el supuesto de que la presin total de los humos es

similar a 1 atm se tiene:

(

)

(

)

(

)

(

)

Donde:

Presin parcial de agua en atmsferas

Presin parcial de dixido de carbono en atmsferas

Porcentaje de humedad

El largo caracterstico para tubos simples (Paredes, 2013, pg. 19) est dado por:

Donde:

Largo caracterstico en metros

Dimetro hmedo, siendo para una seccin circular su diametro en metros

5.8.3.1.3. Procedimiento para determinar la emisividad del agua y

dixido de carbono

El procedimiento para obtener la emisividad del agua, es ingresar con la temperatura

correspondiente (gas o superficie) en las absisas y con el valor dentro del grfico 12

de (Paredes, 2013) mientra que para obtener el valor del factor de correccin se debe ingresar

con la presin parcial de agua en las absisas y el producto dentro del grfico 11

del mismo autor. Finalemente el valor de la emisividad del CO2 se obtiene al ingresar con la

temperatura correspondiente en las absisas del grfico 35 C de (Paredes, 2013) y el producto

.

(5.8.3.1.2.1

(5.8.3.1.2.2)

(5.8.3.1.2.3)

35

5.8.3.1.4. Procedimiento para determinar el factor de correccin de las

emitancia para una mezcla de vapor y dixido carbono

Para el valor de correcion (delta emisividad) de las emisividades , se ingresa a uno de

los 3 graficos A,B o C de la figura 35-E de (Paredes, 2013) , segn corresponda la temperatura y

el valor obtenido con las ecuaciones (5.8.39) y (5.8.3.10).

Los procedimientos descrito anteriormente se deben realizar tanto para encontrar la

emisividad Total de los gases (humos) como para encontrar la emisividad Total de la superficie.

La diferencia para encontrar estos dos valores, Radica en la temperatura con la que se ingresa en

los grficos descritos anteriormente. Para encontrar la emisividad total del gas se debe ingresar

con la temperatura del gas , mientras que para encontrar la emisividad total de la

superficie, se debe entrar con la Temperatura de la superficie .

Resultados de la iteracin 5.8.4.

Luego de calcular el calor por radiacin y por conveccin en los pasos, se les suma el

calor por radiacin en el hogar, para obtener el calor total en la caldera.

Donde:

Calor total en el hogar en

Radiacin en el hogar en

Radiacin en los pasos en

Conveccin en los pasos en

Finalmente el rendimiento terico de la caldera se calcula con la expresin:

Dnde:

Rendimiento terico

Factor que considera prdidas en un 5%

Calor total generado por la caldera en

Poder calorfico inferior base seca del combustible en

Consumo de combustible en

(5.8.4.1)

(5.8.4.2)

(5.8.3.1.4.1)

(5.8.3.1.4.2)

36

Finalmente, se debe realizar una repeticin de los clculos desde la ecuacin (5.8.2.1)

hasta la ecuacin (5.8.4.2). La forma de repetir o iterar estos clculos se basa en ingresar una

temperatura salida del paso arbitraria, en las ecuaciones de la seccin 5.8, la que debe ser

comparada con la temperatura correspondiente a la siguiente entalpa (ver anexo 6.3 Calculo de

entalpia terica de los humos)

Dnde:

Calor por radiacin producido en los pasos de la caldera en

Calor por conveccin producido en los pasos de la caldera en

Consumo de combustible

Entalpia de entrada en el paso

Entalpia de salida en el paso

Este procedimiento se realiza con un cdigo elaborado en el software Mathcad Prime 2.0,

del que se extraen los siguientes valores finales:

TABLA 12: RESULTADOS ITERACIN

491 789,77 128 122,57 2,48 5 129.799 557.443,5 687.242,5 79%

Se tena que el calor restante para llegar al calor necesario era de:

Lo cual est ms que satisfecho por el calor ganado en los pasos:

Entonces el calor total generado por la caldera es de:

(5.8.4.3)

37

5.9. Colector de polvos

Se dejara claro que este tpico requiere de un anlisis ms intenso de lo que se podr

hacer en el presente proyecto, ya que se requiere de un anlisis estadstico y montar

laboratorios, lo cual implica ms tiempo e instrumentos necesarios para tomar mediciones

(dimetro aerodinmico, dispersin de partculas, etc.). Como no es posible realizar este tipo

estudios, para efectos de aprendizaje, solo se tomaran valores de referencia sacados de la

literatura (Perry, 1966) destacando adems que este libro se usara en todo el clculo del colector

de polvos.

Teora del material participado

Existen diversos tipos de contaminantes en la atmosfera, entre los ms importantes se

encuentran los componentes de azufre, los xidos de nitrgeno, xidos de carbono,

hidrocarburos, las partculas sedimntales, el ozono y las partculas en suspensin totales

(PST).Las partculas de suspensin totales (PST) sern el contaminante a considerar para el

generador de vapor , debido a que en la combustin del carbn se desprenden partculas con

dimetro aerodinmico aproximadamente de 5 a 10 micrmetros (cenizas) (Perry, 1966, pg.

1589).

Caractersticas del material particulado PST 5.9.1.

El PST se refiere a las partculas slidas o liquidas que presentan tamao entre

y .Se originan por la erosin del suelo, de combustibles fsiles, emisiones de

gases naturales, erupciones volcnicas, incendios y por canteras, mineras y cementeras. No son

fciles de ver y pueden permanecer en la atmosfera por diversos periodos de tiempo.

Segn sea el dimetro aerodinmico, las partculas totales en suspensin se pueden

clasificar en dos grupos: las Finas con dimetros menor o igual a y las

gruesas con dimetro mayor a hasta , las caractersticas que pueden

presentar estos dos tipos de partculas son diferentes.

Segn la, para las es recomendable utilizar un precipitador elctrico y para las

un separador centrifugo (cicln). Suponiendo segn libro de referencia que en la

combustin del carbn bituminoso se genera una dispersin de partculas con mayor cantidad de

(material particulado mayor a ), se proceder a calcular un separador centrifugo,

especficamente un separador de cicln, ya que adems los separadores de cicln ofrecen uno de

los procedimientos mecnicos menos costosos para separar polvos o nieblas, desde el punto de

vista de su funcionamiento y de la inversin.

Funcionamiento del separador de cicln 5.9.2.

El flujo de humos cargado de Material particulado penetra tangencialmente en una

cmara cilndrica o cnica ya sea por uno o varios puntos y salen por una abertura central Figura

4. Las partculas de polvo, por su inercia generada por una fuerza centrfuga tienden a

desplazarse hacia la pared del cicln para ser conducidas a un receptor. En el cicln el

recorrido de los humos implica un doble torbellino, el primero con los humos descendiendo en

espiral apegado a la pared del cicln y el segundo ascendiendo por el interior del primer

torbellino hasta salir del cicln ver figura.

38

Figura 4 Doble torbellino en cicln

Diseo del separador de cicln 5.9.3.

Segn (Perry, 1966) los factores principales para el diseo de ciclones son la cada de

presin que generalmente esta entre y el dimetro del cicln. Para la cada de

presin se debe considerar una velocidad de entrada entre

y

, generalmente suelen

disearse para una velocidad de entrada de

. Con respecto a dimetro del cicln, se dice

que es un factor primordial para regular el rendimiento de separacin de partculas, siendo el

dimetro menor el de mayor rendimiento.

5.9.3.1. Iteracin para encontrar el Dimetro del cicln

El objetivo ser determinar el dimetro del cicln adecuado, cumpliendo ciertas

restricciones. El procedimiento de clculo consistir en iterar el dimetro del cicln, hasta que

la ecuacin 5.9.4.4.1 converja a aproximadamente.

5.9.3.1.1. rea y velocidad de entrada al cicln

Se adoptaron las mismas proporciones del libro de referencia (Perry, 1966).

Dimetro del cicln

: Ancho de entrada

: Dimetro de salida

: Dimetro del cicln

: Dimetro del cicln

: Dimetro del cicln

: Dimetro del cicln

: Dimetro del cicln

39

Donde el rea en funcin del dimetro del cicln:

La velocidad de entrada al cicln estar dada por la expresin (5.9.4.1.1.2), donde se

calcula el caudal con la expresin (5.8.2.10) en funcin de la temperatura y el rea definida

con la ecuacin (5.9.4.1.1.1).

Dato:

: Temperatura entrada al cicln

Aplicando la ecuacin (5.8.2.10) se tendr:

Reemplazando el caudal calculado y la ecuacin (5.9.4.1.1.1) en (5.9.4.1.1.2) se tiene la

velocidad en funcin del dimetro del cicln:

5.9.3.2. Patrones de flujo o circulacin

Cuando los gases penetran en el cicln su velocidad sufre una redistribucin de modo que

su componente tangencial aumenta cuando disminuye el radio, segn la expresin emprica

(5.9.4.2.1).

Dnde:

: componente de velocidad tangencial de los humos

: coeficiente para el rozamiento de las paredes del cicln. Si no hay

rozamiento se considera igual a 1, pero en la realidad vara entre 0,5 y 0,7.

Radio del cicln (cm)

Remplazando en la ecuacin (5.9.4.2.1) se tendr la velocidad tangencial en funcin del

dimetro del cicln:

(5.9.4.2.1)

(5.9.4.1.1.1)

(5.9.4.1.1.2)

(5.9.4.1.1.3)

40

5.9.3.3. Cada de presin

Se calcula la cada de presin en la entrada del cicln con la expresin (5.9.4.3.1) para

luego obtener las prdidas totales por rozamiento segn la ecuacin (5.9.4.3.2). Estas

ecuaciones son empricas y segn el libro de referencia an no se dispone de una relacin

general sobre la cada de presin en los ciclones.

Dnde:

: Cada de presin, en la entrada del cicln en

Perdida por roce total en el cicln

densidad de los humos en la entrada al cicln

: Velocidad de entrada al cicln (estar en funcin del dimetro)

rea transversal de entrada al cicln (estar en funcin del dimetro)

Dimetro de salida del cicln (cm)

5.9.3.4. Dimetro mnimo de las partculas que separa el cicln y Tamao

del corte.

Es necesario comprobar que el cicln extrae el material particulado que se quiere separar

de los gases para ello se necesitan uno serie de datos en conjunto con dos expresiones

matemticas empricas (5.9.4.4.1) y (5.9.4.4.2) de Rosin, Rammler e Intelmman extradas del

libro de referencia ya mencionado anteriormente.

Dnde:

: Dimetro mnimo de las partculas que se recogen o separan

completamente .

Tamao del corte, es decir, el dimetro de las partculas que se recogen o

separan en un 50% de las existentes. .

viscosidad del humo en funcin de la

temperatura de entrada al cicln (similar a la del aire).

: Ancho de entrada al cicln. .

(5.9.4.3.1)

(5.9.4.3.2)

(5.9.4.4.1)

(5.9.4.4.2)

41

Numero efectivo de vueltas que da una corriente gaseosa en un

separador de cicln, este es un promedio entre el valor ms conservador 5 y el

menos conservador 10 para el cicln en estudio con las proporciones dadas

anteriormente.

Numero de vueltas que da una corriente gaseosa en un separador de

cicln. Para la grfica de Rosin, Rammler e Intelmman el termino es idntico

a .

: Velocidad de entrada al cicln.

.

densidad verdadera (no a granel) de los slidos; tambin es la

densidad de las gotas de lquidos. Esta densidad se asumi de acuerdo a datos

del (Gaffert, 1954).

densidad de los humos en la entrada al cicln.

Reemplazando todos los datos mencionados anteriormente en las ecuaciones (5.9.4.4.1) y

(5.9.4.4.2) se tienen los siguientes valores:

5.9.3.5. Rendimiento de separacin

El rendimiento de separacin interceptando el valor obtenido en la relacin (5.9.4.5.1)

con la recta o curva graficada en el grfico del rendimiento de Rosin, Rammler e Intelmann ver

Figura 32. La recta de la grfica indica un rendimiento terico y la curva indica un rendimiento

experimental, para ciclones con las proporciones que presenta el cicln del presente proyecto

(5.9.4.4.3)

(5.9.4.4.4)

(5.9.4.5.1)

42

5.9.3.6. Resultados iteracin dimetro cicln

Finalmente la ecuacin (5.9.4.4.1) converge a un valor de con un

dimetro del cicln igual a 0,76 m .Los resultados finales se presentan el en la Tabla 13 y

Tabla 14.

TABLA 13: DIMENSIONES DEL CICLN

Dimensin Valor

(m)

0,76 0,19 0,38 0,38 1,52 0,095 1,52 0,19

TABLA 14: VALORES EN FUNCIN DEL DIMETRO DEL CICLN

Rendimiento

de

separacin

Terico

(%)

Rendimiento

de

separacin

Experimental

(%)

0,0722 21,5 0,113 17,8 5,03 3,55 1,41 100 70

5.10. Calculo de densidades y velocidad de los humos en distintos punto

del generador de vapor

EL humo es un gas puesto que posee algunas propiedades de los gases, no tiene una

forma definida y es compresible, es decir su densidad no ser constante y cambiara en funcin

de la temperatura. En base a lo anterior es necesario calcular las densidades en distintos puntos

de inters para los clculos posteriores.

La densidad ser el flujo msico de humos (calculado en la seccin 5.4.4) dividido el

caudal volumtrico definido por la ecuacin 5.10.23 .Como se mencion anteriormente ya

conoce el flujo msico total de los humos que ser constante en todo su trayecto, entonces solo

ser necesario determinar el caudal volumtrico del humo en funcin de la temperatura media

del gas en el punto donde se quiere evaluar.

(

)

(5.10.23)

(5.10.24)

43

Dnde:

: caudal volumtrico del humo en funcin de la temperatura del punto

especfico donde se quiera evaluar.

: densidad en funcin de la temperatura respectiva.

La velocidad est definida como el caudal volumtrico dividido el rea transversal,

correspondiente al punto donde se quiere calcular la velocidad. Al igual que el clculo de la

densidad, la velocidad estar en funcin de la temperatura debido a que el caudal est en

funcin de la temperatura.

Dnde:

:velocidad del humo en funcin de la temperatura

: rea transversal del punto donde se calcula la velocidad

Trayecto del paso 1 (hogar):

Datos:

: Temperatura media en el hogar

: rea transversal del hogar , obtenida con software Creo 2.0

Aplicando las ecuaciones (5.10.23), (5.10.24) y (5.10.25) se tendr:

Entrada del paso 2:

Datos:

: Temperatura entrada paso 2

: Dimetro interior de un tubo del paso 2

: Nmero de tubos del paso 2

: rea transversal total del paso 2

(5.10.25)

44


Trayecto del paso 2 (pirotubulares):

Datos:

: Temperatura media a lo largo del paso 2





Salida del paso 2:

Datos:

: Temperatura salida paso 2





45

Trayecto entre la salida de la caldera y entrada del cicln:

Datos:

: Temperatura media en el trayecto

: Dimetro interior del tubo del trayecto

: rea transversal del tubo del trayecto


Entrada del cicln:

Estos ya fueron calculados en la seccin 5.9.

Salida del cicln:

Datos:

: Temperatura salida al cicln

: Dimetro de salida del cicln

: rea transversal salida cicln


46

Trayecto entre la salida del cicln y el intercepto con codo:

Datos:





Trayecto entre intercepto tubo codo y entrada ventilador:

Datos:





Densidad y velocidad de los humos, a lo largo de la chimenea:

Datos:

: Temperatura media a lo largo de la chimenea

: Dimetro interior de la chimenea

: rea transversal de la chimenea

47


Entrada de aire al hogar:

Esta vez la densidad del aire ya es conocida, se extrajo del (Kreith & Bohn, 2001) a una

temperatura de 25C. El procedimiento de clculo es diferente a los anteriores, se calcula

primero el caudal que ser la masa de aire (ver seccin 5.4.3) por el consumo de combustible

(ver seccin 5.2) dividido por la densidad del aire y en segundo lugar se calcula el rea de la

entrada de aire con la restriccin de que la velocidad no sobrepase los 15 m/s.

Datos:

: Temperatura aproximada del ambiente en la sala de caldera

: Ancho de la entrada de aire

: Alto de la entrada de aire

: rea transversal de la entrada de aire

Entonces:

48

5.11. Chimenea

EL sistema de tiro tiene como objetivo abastecer de aire necesario para la combustin del

carbn y adems eliminar los humos generados.

Se definen dos tipos de tiro:

Tiro natural: Es cuando el tiro depende solamente de la chimenea, este se basa en la

diferencia de temperatura entre los humos de la chimenea y el aire exterior, lo cual implica una

diferencia de densidades que se traduce en una diferencia d

Documents

Diseño Caldera de Vapor