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ANALISIS TRANSITORIO DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

ALEXANDER BRAVO CORREDOR – 2144260 B1 ENRIQUE ORTEGA PINZON – 2134260 D1 LUIS CARLOS VARGAS RAMIREZ – 2144247 D1

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA SISTEMAS TÉRMICOS I BUCARAMANGA JULIO 2019

ANALISIS TRANSITORIO DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

ALEXANDER BRAVO CORREDOR – 2144260 B1 ENRIQUE ORTEGA PINZON – 2134260 D1 LUIS CARLOS VARGAS RAMIREZ – 2144247 D1

Presentado a: OMAR ARMANDO GELVEZ AROCHA Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-MECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA SISTEMAS TÉRMICOS I BUCARAMANGA JULIO 2019

INTRODUCCION Las calderas de vapor son aparatos en los que se hace hervir agua produciendo vapor. El calor necesario para calentar en un sitio cerrado y vaporizar el agua que puede ser suministrada por un hogar; en las pirotubulares el humo caliente procedente de hogar circula en el interior de los tubos gases, cambiando de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea. El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos de agua que los rodea, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada. La presión, el nivel de agua en la caldera y el flujo de calor suministrado por los gases de combustión son variables importantes para analizar utilizando modelamiento de análisis transitorio de una caldera pirotubular en simulink. Este tipo de generadores, por su diseño no admiten presiones de trabajo elevadas, más allá de dos o tres atmosferas; son de construcción sencilla y disponen de moderada superficie de intercambio, por lo que no se utilizan para elevadas producciones de vapor.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL



Analizar el comportamiento transitorio de una caldera piro tubular que cuenta con una potencia de 500 BHP a partir de la simulación en Matlab.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS



Desarrollar una correlación que modele el calor de los gases en función del flojo volumétrico del combustible y la presión de vapor.



Definir el control del flujo másico de vapor en función de los rangos de tiempo dados en el enunciado del problema.



Calcular el volumen total y la masa total para una caldera de 500 BHP.

3. MARCO TEORICO 3.1 CALDERA El termino caldera se aplica a un dispositivo de calefacción externa, para generar. 

Vapor para fuerza, procesos industriales o calefacción



Agua caliente para calefacción o para uso genera

Una caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. La estructura real de una caldera dependerá del tipo, no obstante, de forma general se puede describir los siguientes componentes: 

Quemador: sirve para quemar el combustible.



Hogar: alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la combustión del combustible utilizado y la generación de los gases calientes.



Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efectúa a través de su superficie. También en ella se generar las burbujas de vapor.



Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida con los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.



Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.



Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

Figura 1. Caldera.

Fuente: https://www.clerinsingenieros.com/noticia/curso-para-operadoresindustriales-de-calderas-en-galicia

3.2 CLASIFICACION DE LAS CALDERAS En función a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de combustión: 

Con tubos múltiples de humo – Pirotubulares:

Son generadores de vapor pequeños, también conocidas como calderas de tubos de fuego. En este tipo de calderas los gases calientes circulan por dentro de los tubos y el agua circula por el exterior de estos, en ellas se genera agua caliente o vapor saturado. Existen diferentes tipos de calderas pirotubulares de acuerdo con el número de pasos de los gases en sentido longitudinal. Las calderas pirotubulares se componen por un hogar o tubo central, tubos de humo o fluses, placas, casco o carcasa, una cámara de agua y una cámara de vapor.

Figura 1. Caldera pirotubular.

Fuente: http://lopezhnos.es/products/caldera-de-vapor-pirotubular-gvl-h/ 

Con tubos múltiples de tubos de agua – Acuotubuláres

Son generadores de vapor de pequeño volumen de agua. En este tipo de calderas el agua circula por dentro de los tubos, mientras que los gases circulan por el exterior de estos, de manera contraria a cómo trabajan las calderas pirotubulares. Una caldera acuotubular consta básicamente de tambores y de tubos. Los tubos a través de los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado están fuera de los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que pueden ser mucho más pequeños en diámetro que el tambor de una caldera pirotubular y pueden soportar mayores presiones. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y altos índices de rendimiento o eficiencia. A continuación, se muestra una tabla comparativa realizada por el Dr. Eberhard Franz (2013) donde se muestran las diferencias entre una caldera de tipo pirotubular y una caldera acuotubular:

Tabla 1. Tabla comparativa entre una caldera pirotubular y una caldera acuotubular.

Fuente: https://www.researchgate.net/publication/326904671_CALDERAS_CLASIFICACIO N_USOS_Y_MECANISMOS_DE_TRANSFERENCIA_DE_CALOR

3.3 CAPACIDAD DE CALDERA A una caldera se le asocian generalmente dos tipos de capacidades. 

Capacidad Real: tiene relación con la cantidad y contenido de calor de vapor y se mide en kg de vapor/tiempo.



Capacidad

Nominal:

tiene

relación

con

su

área

o

superficie

de calentamiento o superficie de calefacción (de calero o de caldeo).

3.4 METANO (CH4) El metano se produce de forma natural por la descomposición de sustancias orgánicas en ambientes pobres en oxígeno. También se produce en el sistema digestivo de rumiantes y otros animales, en la explotación de combustibles fósiles, y en la quema de biomasa.

Aproximadamente la mitad de la producción de metano proviene de los sembradíos de arroz, de la actividad animal, y de la acción de las termitas. Una cuarta parte proviene de tierras pantanosas y húmedas. Un 15% de la producción industrial de gas natural y carbón mineral. Los rellenos de basura y otras sustancias orgánicas en descomposición contribuyen con un 5% de las emisiones de metano.

4. MODIFICACION DEL CODIGO DEL PROGRAMA Lo primero que se realizo fue el calculo del volumen y la masa total de caldera teniendo en cuenta los datos dados en el catalogo caldera serie 200 Hurst Boiler and Welding Company que se presentan a continuación:

Con ayuda de ees se realizan los cálculos respectivos.

A continuación, se presentan los resultados obtenidos.

Modelamiento de la correlación. Debido a que el modelo del programa desarrollado por el profesor está en función del flujo másico de combustible(𝑚̇ 𝑐 ) y en el planteamiento del problema se establecen condiciones en función del flujo volumétrico del combustible(𝑉𝑐̇ ), es necesario modelar una correlación entre la potencia de la caldera, el flujo volumétrico de combustible (𝑉𝑐̇ ) y la presión de funcionamiento(𝑃𝑣 ). Para el modelamiento de la correlación, se elabora una tabla obteniendo datos del programa de cálculo de potencia de calderas pirotubulares facilitado por el profesor.

Para la elaboración de la tabla, se toman datos de flujo de combustible (CFH) cercanos al flujo de combustible nominal de la caldera de estudio, en este caso, la caldera de 500 BHP y variando la presión de funcionamiento en cada flujo para evaluar el comportamiento de la potencia de la caldera. Figura 2. Programa de cálculo de potencia de caldera

Luego de obtener los datos, se elabora una tabla para después realizar una regresión lineal, dando como resultado la siguiente correlación:

En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos del programa de cálculo de potencia y la potencia calculada con la correlación para comparar

Tabla 2. Datos de cálculo de potencia

Se procede a realizar las respectivas modificaciones en programa de simulink. Lo primero es cambiar los valores de volumen total, masa de liquido inicial y temperatura de vapor inicial (Tv inicial).

Luego se procede a cambiar la función en el cuadro de combustión por la correlación que hallamos anteriormente, quedando la función de la siguiente forma: