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• David Ilachoque Cabana

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“Año del Diálogo y Reconciliación Nacional”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA CURSO: LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA I TEMA: “CALDERO PIROTUBULAR” DOCENTE: ING BANDLY NOMBRE: RAMOS PAREDES JUBERT ANGELO LLAMOCA MAMANI YEISON CUENTAS MONTENEGRO

AREQUIPA – PERU 2007

2007

1. INTRODUCCIÓN La generación de vapor a escala industrial cuenta con más de 200 años de historia. El primer siglo se caracteriza exclusivamente por calderas comparables con las actuales calderas pirotubulares. En el año 1875 [1], es decir, 106 años después de que James Watt inventase la caldera y la máquina de vapor, la empresa Steinmüller diseñó la primera caldera 2 acuotubular, era una caldera con presión de 3 bar y una superficie de calefacción de 2,5 m . Desde entonces, el desarrollo de las calderas acuotubulares ha sufrido un espectacular cambio de rumbo en lo que se refiere a presión y capacidad. En 1927 entró en servicio la primera caldera Benson con una capacidad de 30 t/h a 180 bar y 450º C. Ya en los años sesenta, se diseñaron calderas supercríticas, con una presión superior a 350 bar y temperaturas de más de 600 ºC. En 1970 se consiguió una producción máxima de 1000 t/h. Sólo 5 años más tarde fue posible fabricar calderas de tubos de agua con capacidades de vapor de más de 2000 t/h. Debido al principio de diseño, no pueden conseguirse unas producciones tan grandes ni unos parámetros de vapor tan extremos en calderas pirotubulares. Sin embargo, las calderas pirotubulares son aún objeto de mejoras hoy en día. Algunos ejemplos de mejoras inicialmente implantadas por LOOS International es la introducción en 1953 de una caldera de tres pasos con cámara de inversión refrigerada por agua, el desarrollo de una caldera de doble hogar de combustión (1956) o los electrodos de seguridad para controlar el nivel mínimo de agua (1977). De esta manera, hoy en día pueden cubrirse con seguridad y de forma económica unas producciones de vapor de hasta 50 t/h casi exclusivamente mediante una única caldera pirotubular. Dependiendo del tamaño, pueden alcanzarse presiones de hasta 32 bar y temperaturas de hasta 350 ºC en vapor sobrecalentado. La figura 1 muestra el diseño de una moderna caldera pirotubular con doble hogar de combustión. Todos los aspectos mencionados anteriormente demuestran que los dos principios de diseño tienen su justificación. En términos generales, no es ni razonable ni posible sustituir un diseño por el otro en determinados casos claramente definidos. A veces, existen excepciones a esta norma. El objetivo del presente informe es proporcionar argumentos relacionados con la seguridad, aspectos de funcionamiento, características físicas y el coste para aquellos casos en los que puedan aplicarse ambos diseños.

2. OBJETIVOS   

Determinar las presiones y temperaturas a las que se empezara a trabajar así mismo las presiones y temperaturas de salida. Toma correcta de datos mediante el uso de instrumentos de medida y termómetros. Desarrollar habilidades analíticas y experimentales mediante la observación y el desarrollo de la experiencia dada con el caldero para evaluar, diseñar y optimizar si fuera el caso.

3. MARCO TEORICO GENERADOR DE VAPOR Es el conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios, destinados a transformar un líquido en vapor, a temperatura y presión diferente al de la atmósfera. Los generadores de vapor son grandes intercambiadores térmicos en los que el calor es transferido de un circuito de agua a otro, transformando el agua del segundo circuito en vapor, el que luego es usado para impulsar las turbinas y los generadores eléctricos, son equipos generadores de fuerza.

CAPACIDAD DE PRODUCCION DE UNA CALDERA La capacidad de generación de vapor se da frecuentemente en libras de vapor por hora, pero como quiera que el vapor a distintas presiones y temperaturas posee diferentes cantidades de energía, este sistema no mide exactamente la energía producida. (BHP BTU/HR) pero solo a determinadas condiciones BHP = 34.5 Lb/hr.  Por lo anterior la capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma de calor transmitido a través de su superficie en BTU/Hora  Para unidades pequeñas se utiliza el concepto de caballo de calderas o BHP (Boiler Horse Power), el cual equivale a 33.475 BTU/h definido por la ASME en el año de 1889.

TIPOS DE CALDEROS DE VAPOR  

Calderas Acuotubulares. Calderas Pirotubulares.

CALDEROS PIROTUBULARES Son aquellos donde los gases de combustión fluyen por el interior de los tubos y el agua circula externamente a los tubos, generándose la transmisión de calor desde la parte interna a la externa de los tubos. A estas Calderas también se les conoce como Tubos de Fuego. Por lo general son para mediana potencia. CALDEROS ACUOTUBULARES Son aquellas donde el agua fluye por el interior de sus tubos y los gases de combustión fluyen externamente a los tubos, generándose la transmisión de calor desde la parte exterior a la parte interior de los tubos. Se les conoce Calderas de tubos de Agua; por lo general son de Alta Potencia y para Alta Presión. Para Potencia pequeña no es recomendable económicamente. En este tipo de calderas además el hogar (recinto donde se produce la combustión) está conformado por paredes de tubos de agua. En ellas el intercambio es básicamente por radiación desde la llama.

CALDEROS PIROTUBULARES Se denominan piro tubulares por que los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. CONCEPTOS DE REFERENCIA: Pasos: Recorrido de los Gases de combustión, desde la parte delantera a la posterior y/o viceversa, y a abajo hacia arriba o viceversa; durante el cual transfiere calor al agua. Presión de Trabajo: Presión a la cual trabajará la Caldera. Esta presión puede ser igual o menor a la presión de Diseño. De acuerdo al número de pasos:  Un paso - con deflectores  Dos pasos - con deflectores  Tres pasos - óptima eficiencia en transferencia  Cuatro pasos. De acuerdo a la Configuración de la parte Posterior o Cámara de Retorno de Gases:  Baja presión - de 0 a 30  Mediana presión - de 30 a 300  Alta presión - más de 300 De acuerdo a la Configuración de la parte Posterior o Cámara de Retorno de Gases: De espalda Seca: Donde se emplea refractario para rodear paredes de dicha cámara. De espalda Húmeda: Donde se emplea una pared de agua para rodear las paredes de dicha cámara. De acuerdo al Tipo de Operación:  Manual  Semiautomático.  Automático.

Diagrama "T - S" y/o Temperatura -Entropía

CALCULO DE LA CAPACIDAD DE UNA CALDERA PIROTUBULAR Es importante hacer definiciones y explicar conceptos empleados en el campo de la Caldera, los cuales servirán para interpretar las literaturas o informaciones escritas sobre el tema. CARGA TÉRMICA (Q): Es la cantidad de calor aprovechando por el agua hasta lograr se evaporación y sobrecalentamiento, si es que la tiene. Para poder elevado con rigurosidad se emplea el diagrama "T - S" y/o Temperatura Entropía, teniendo en cuenta la condición inicial y final del agua. La forma más práctica de evaluar la carga térmica de la caldera es mediante la diferencia de entalpía entre el estado final e inicial del agua expresado como. La forma más práctica de evaluar la carga térmica de la caldera es mediante la diferencia de entalpía entre el estado final e inicial del agua expresado como.

m= Flujo de agua y producción de vapor en (KJ/s) *h= Diferencia de entalpías especifican vapor – agua Se puede simplificar este cálculo y obtener resultados aproximados mediante una tabla de vapor saturado y considerando la diferencia de entalpía como la suma de la entalpía de calentamiento del agua hasta la temperatura de saturación y el calor latente de evaporación a la presión de trabajo así. Donde entalpía de calentamiento: hcal Cp hig Ps

Dónde: : Calor específico del agua = 4.186 KJ/Kg Ts : Temperatura de Saturación. To : Temperatura Inicial : Entalpía de evaporación a presión Ps(KJ/Kg) : Es la presión de Trabajo o de Saturación. Por lo tanto:

VAPOR NORMAL (Vn) Es la masa de vapor que se obtiene, con una cierta cantidad de calor, vaporizada de 100C a 100C, es decir partiendo como líquido saturado hasta llegar a vapor saturado a nivel del mar (temperatura de saturación de 100C), El calor requerido, o calor latente, por cada Kg de agua es de 2257 KJ/kg. FACTOR DE EVAPORACIÓN Se define como:

Por los tanto se deduce que: Vn = f x m CAPACIDAD DE VAPORIZACIÓN DE UNA CALDERA Es la capacidad de un generador de vapor en Kg/Hr (lb.Hr) indicando la presión de Trabajo y la Temperatura de ingreso del agua. Pero como las calderas trabajan a presiones diferentes unas con otras, así como temperaturas de ingreso de agua, surge como una fortuna de expresar la potencia del equipo en Hp de Caldero. HP DE CALDERO (BHP) La definición más aceptada para este concepto la dio la ASME (AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERI) de la siguiente manera: “Es la cantidad de calor necesaria que hay que suministrar para evaporar 34.5 libras de agua por hora desde 212 F a 212F”. En términos numéricos esto equivale a: 1 BHP = 34 475 BTU/Hr 1 BHP = 9.81 KW De esto se puede concluir que el HP DE CALDERA es una unidad de calor, por lo que puede ser de diferentes BHP, dependiendo de la presión y de la Temperatura del agua de ingreso. También se emplea el BHP de caldero para dirigirse el tamaño de una caldera en base a la superficie de calefacción. Para ello, la ASME teniendo en cuenta que las calderas en esa época utilizaban la superficie de 5 pie2 para generar 34.5 lb de vapor por hora. EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA CALDERA Es el porcentaje total suministrado por el combustible que es cedido al agua, esto es:

Q = Energía del Combustible - Pérdidas por chimeneas - Pérdidas por aislamiento

HRP : cedido por combustible. Pc : la chimenea. Pa : el

Calor el Pérdida por Pérdida por aislamiento

SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN Según reglamento alemán, es el área de la superficie medida del lado del fuego de las paredes expuestas, por un lado, o los gases que sirvan para la calefacción y por el otro, con el contacto con el agua. Según ASME la superficie de calefacción de la unidad generadora de vapor, es aquella parte de la superficie de transmisión de calor del aparato, expuesto por un lado al gas y por el otro el líquido que es calentado, medida del lado que recibe el calor. El valor empleado para la superficie de calefacción por cada BHP, actualmente fluctúa entre 23,5 pie2 por BHP para Calderas Verticales y de 5 pie2 por BHP para Calderos Horizontales. CALCULO DEL CALOR TRANSFERIDO

T1: Temperatura Inicial T2: Temperatura Final PRINCIPIO DE PABRICACION DE CALDEROS 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. Se fabrican en capacidades que van desde 1 BHP hasta aproximadamente 900 BHP, en unidades estandarizadas de 5, 10, 20, 40,100, 200 y más BHP. Las presiones de operación más comunes son de 150 Psi y 250 Psi aun cuando pueden trabajar a presiones más bajas. Son de bajo costo ya que su fabricación es muy sencilla y se utilizan para quemar combustibles gaseosos, líquidos y sólidos. PARTES BASICAS DE UNA CALDERA

ESPECÍFICAS DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

USOS DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES  Ho  spitales y clínicas.  Baños saunas.  Universidades.  Lavanderías  Fábricas.  Camales.  Industrias químicas.  Refinerías.  Minerías. EL VAPOR El vapor se refiere a la materia en estado gaseoso. Aunque este no se limita al vapor generado por agua, muchos diferentes tipos de vapor existen en el mundo. Sin embargo, el término “vapor” es más comúnmente usado para referirse al estado gaseoso del agua. El agua puede existir como:  Un sólido –HIELO  Un líquido – AGUA  Un gas- VAPOR El vapor es una forma gaseosa del agua IMPOTANCIA DEL USO DE VAPOR  La energía calorífica es agregada al agua para convertirla en vapor.  En este proceso se usan cantidades grandes de energía.  Cuando el vapor entra en contacto con una superficie más fría se condensa y cede rápidamente esta energía.  Este proceso se lleva a cabo a temperatura constante. LOS BENEFICIOS DEL VAPOR:  Usado desde la revolución industrial. Continua siendo un transportador de calor moderno, flexible -y versátil.  Producido por la evaporación del agua, es relativamente barato y completamente ecológico.  Siempre fluye de una fuente de presión alta a otra más baja y no requiere bombeo.  Su temperatura puede ajustarse con precisión controlando su presión.  Transporta una gran cantidad de energía con una pequeña masa.

4. CÁLCULOS Caracteristicas del caldero pirotubular y el proceso utilizado (laboratorio JP) El caldero que esta en el JP es un caldero pirotubular vertical de una sola llama, de un solo paso, controlado automáticamente por un presostato a 60-70 Psi y una válvula de alivio. El caldero es de un solo paso, esto quiere decir que se produce una sola llama y sale por un sistema de escape. Primeramente, se hizo un purgado al sistema de alimentación, prendiendo el pequeño motor eléctrico que está conectado con la cámara de combustión y comunicado a través de una manguera al tanque de combustible (Diesel), teniendo 5 galones de combustible que aproximadamente se consumiría en 1 hr. El caldero está completamente lleno de agua por lo cual el trabajo del caldero será mucho mayor, en el pequeño motor eléctrico trifásico que está conectado al quemador o cámara de combustible, se regula la entrada de aire. La regulación del aire es para ver en q nivel de llama se encuentra dentro de la cámara. Dentro del caldero en nivel del agua esta a tope, el nivel de temperatura está en cero teniendo que alcanzar una temperatura de 150°C para crear la primera molécula de vapor comprimida, conectado a un presostato que esta regulado de entre a 60-70 Psi para y un medidor de nivel de agua y vapor saturado. El ingreso del combustible es presurizado quiere decir que del tanque de combustible con presión atmosférica pasa a una pequeña bomba comunicada al motor eléctrico elevando la presión a 150 Psi. La turbina (turbocompresor) que succiona aire del medio ambiente lo comprime y juntándose con el combustible se crea la mezcla para el proceso de combustión y así calentar el agua. El ingreso de agua está regido por una red de agua (agua dura) que pasa por un ablandador que contiene cuarzo, zeolita, arena de mar y piedra chancada, para quitarle los carbonatos y óxidos de agua, después de allí se obtiene agua blanda que se almacenara en un tanque de condensado que alimentara al caldero cuando se vaya produciendo vapor dentro de esta misma, habiendo un elemento que va a distribuir uniformemente el vapor producido. El caldero es de un solo paso, esto quiere decir que se produce una sola llama y sale por un sistema de escape de gases. El caldero del JP tiene dos cámaras, una es la cámara de combustión y la otra es la cámara de agua. Se dice que es de un solo paso ya que la distribución de llama es directa, entra y sale. Pero seria mas eficiente si fuera de 2 o 3 pasos.

En la experiencia que tuvimos de obtención de vapor el tiempo de calentamiento promedio fue de dos horas desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de saturación, el combustible utilizado fue el Diesel B5, este caldero funcionado con corriente de 220 V trifásica, cuenta con un ablandador de agua y un controlador primario de combustión o combustible de la marca Honeywell.

Calculo de la eficiencia

5.

CONCLUSIONES * Se logró obtener los datos de entrada como temperaturas y presiones así mismo se obtuvo volumen de agua y datos de placa del caldero. * se logró determinar la eficiencia del caldero pirotubular vertical a partir de los datos tomados tanto de entrada como de salida hallando el trabajo realizado por el caldero en las 2 horas aproximadas. * 6. REFERENCIAS http://www.monografias.com/trabajos97/calderos-tipos/calderos-tipos.shtml http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/descripci%C3%B3n-de-calderas-ygeneradores-de-vapor https://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(m%C3%A1quina) http://termoindustrial1ii132.blogspot.pe/2013/06/definicion-de-caldera.html https://www.quiminet.com/articulos/problemas-comunes-de-las-calderas-2704081.htm