Preinforme De Eficiencia De Calderas

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Laboratorio de fluidos, sólidos y transferencia de calor

PRÁCTICA DE EFICIENCIA TÉRMICA DE CALDERAS

PREINFORME

José Gabriel Cornejo, Víctor Julio Daza, Camilo Andrés Romero, José Fernando Salgado

Resumen

Durante la práctica se trabajara con la caldera pirotubular de dos pasos que se encuentra en el laboratorio de Ingeniería Química, la cual es manipulada por el personal del laboratorio y no por los estudiantes, luego de la estabilización del equipo inicia la toma de datos como la temperatura de los gases de chimenea, los flujos de agua y combustible entre otros, que junto con un análisis Orsat permitirá completar los balances de masa y energía para determinar el poder calorífico del combustible, entalpias de cada flujo, el rendimiento térmico de la caldera posteriormente se pasa a hacer el análisis sobre la planta de generación eléctrica para determinar la potencia entregada por la turbina y finalmente la eficiencia de la caldera, siendo este último el objetivo principal de la práctica.

Marco teórico

Una caldera es un equipo que contiene agua la cual es pasa a la fase de vapor cuando es calentada bajo condiciones controladas. Se pueden quemar una variedad de combustibles como el gas natural, aceite y carbón siendo estos tres los principalmente utilizados. En la caldera la energía química contenida en el combustible es transformada a energía térmica la cual calienta el agua presente en la caldera, esta agua puede estar ya sea en los tubos del equipo o en la coraza según sea el tipo de caldera con el que se esté trabajando. El vapor producido puede ser utilizado en varios procesos industriales como la refinación del petróleo, manufactura de automóviles, papel, productos químicos, o para generar energía eléctrica por medio de una turbina.

Toda caldera se diseña para transferir la mayor cantidad de calor posible (producido por la quema del combustible) al agua que está contenida en la caldera ya que de esta manera se aumenta la eficiencia del equipo disminuyendo costos y generando un impacto en la conservación de la energía. El calor producido es transferido por los 3 mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

La conducción es la transferencia de calor mediante contacto directo entre un objeto caliente y uno frio, la tasa de transferencia dependerá de los materiales de construcción de la caldera y la diferencia de temperaturas entre los objetos. En el equipo este mecanismo se da en los tubos y coraza.

La radiación es otro mecanismo de transferencia de calor que no implica contacto directo entre los dos objetos, en la caldera el calor es radiado por las flamas en la zona de combustión y es absorbido por los tubos localizados en esta cámara y zonas cercanas a esta.

Finalmente la convección se produce por intermedio de un fluido que transporta la energía, en el caso de la caldera el fluido son los gases calientes producidos por la combustión y el calor es transferido al agua.

Existen dos tipos diferentes de caldera: las pirotubulares y las acuotubulares. En las pirotubulares se produce el vapor circulando el gas proveniente de la combustión a través de tubos sumergidos en agua, mientras que en las acuotubulares, el agua y el vapor circulan a través de tubos bañados por los gases de combustión.

Las partes principales de una caldera son:

Quemador

Cámara de Combustión

Sección de Convección

Chimenea

Equipo para el manejo de aire

Instrumentos.

Equipo

Ilustración 1. Fotografía de la caldera. Fuente: propia

El equipo para la práctica está integrado por una caldera, un generador eléctrico y un condensador especificados a continuación:

CALDERA

Equipo de caldera piro tubular de dos pasos, Modelo D-240, con capacidad de 5 5 〖ft〗^2/BHP, potencia 40 BHP, diseñado para trabajar a una máxima presión de 150 psig. Produce vapor saturado a 212 ®F, 1 atm y agua de alimentación a razón de 1380 lb/h.

Funciona con combustible ACPM, cuenta con un medidor de humedad, y un sistema de control de volumen medido en galones con una precisión de ±0,5 GAL.

PLANTA ELÉCTRICA

Planta de generación eléctrica de turbogenerador WESTINGHOUSE, conformado por un generador de 3750 rpm, 110 V, DC, manejado por una turbina de vapor de dos hileras.

CONDENSADOR

Equipo de condensación con tubos de 5/8 de pulgada, 18 BWG, con un área efectiva de transferencia de calor de 1,45 〖ft〗^2.

Procedimiento

Esperar que la caldera se estabilice luego de encendida (lo cual se logra una vez ha alcanzado su presión de vapor de suministro, intervalo: 95 psig-105 psig, 70-90 psig).

Medir la temperatura de los gases de chimenea a partir del momento en que se ha encendido el quemador. Hacerlo cada 5 segundos hasta que el quemador se apague.

Las cantidades acumulativas medibles (agua de alimentación y combustible) deben ser tomadas durante el tiempo que dure la práctica (cuatro ciclos aproximadamente) con el fin de minimizar los errores de medición debido a que la caldera es del tipo encendido/apagado y por ende no alimenta combustible y agua en todo momento.

Medir el volumen de combustible consumido en el tanque volumétrico y dividirlo por el tiempo en horas (tiempo de duración de la práctica) para conocer el flujo de combustible durante la práctica.

Tomar la lectura de nivel de agua al momento de iniciar la práctica y al finalizar ésta, para obtener el respectivo flujo. Este valor se corrige con el cambio de nivel tanto en la caldera como en el tanque de alimentación a ésta, que se observe durante el período de tiempo que dure la práctica. Al dividir el valor corregido de la masa de agua por el tiempo en horas que dura la práctica se obtiene el flujo de agua.

Registrar el tiempo de la práctica (contado desde el momento que se enciende el quemador hasta cuando se encienda nuevamente el quemador en el quinto ciclo).

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS

BALANCE DE MASA EN EL SISTEMA

COSTOS

BALANCE GENERAL DE ENERGÍAS

Ilustración 2. Elementos gráficos del volumen de control en el balance de energía

A partir de la ecuación general:

ENERGÍAS A LA ENTRADA=ENERGÍAS A LA SALIDA

Se cuantifica la energía utilizada y transformada en el proceso, para el análisis posterior de la eficiencia del equipo, para los cálculos del balance se considera:

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