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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA

Programa Vespertino de Prosecución de Estudios

Ingeniería Civil en Mecánica MDSS/vcp.

ASIGNATURA: MAQUINAS TERMICAS 9518 EXPERIENCIA: C920: BALANCE TERMICO DE UNA CALDERA CON

SISTEMAS INTEGRADOS CARRERA: INGENIERIA CIVIL EN MECANICA PROSECUCIÓN DE ESTUDIOS OBJETIVO GENERAL: Observar en terreno la operación de equipos térmicos como calderas de vapor e intercambiadores de calor, evaluando algunos parámetros como su eficiencia. OBJETIVOS ESPECIFICOS: 1. Identificar y reconocer componentes como también el observar la operación

sincronizada de una caldera de vapor con su equipamiento anexo. 2. Cuantificar el rendimiento térmico de una caldera, según metodología A.S.M.E.,

para una producción preestablecida de vapor. 3. Reconocer los elementos de una red térmica, observando su operación y la de un

intercambiador de calor cerrado, junto a su equipamiento anexo. 4. Cuantificar la eficiencia de un intercambiador de calor cerrado (calentamiento de

aire mediante la condensación de vapor), aplicando diferentes metodologías en su evaluación.

ANTECEDENTES TEÓRICOS: En general se entiende por intercambiador de calor a dispositivos tipo volumen de control, donde se propicia la participación de un dador de calor y de un receptor del mismo; a lo menos uno de los participantes será un fluido-. El intercambio dará lugar en los fluidos participantes a cambios de temperatura y/o fase según corresponda, dado que en principio cada uno de ellos lo hará en forma isobárica.

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Si bien existen intercambiadores de calor abiertos y cerrados, éstos últimos tienen mayor difusión en la industria, en lo general los de tipo cerrado se pueden clasificar según: 1. Sentido de flujos en los fluidos, -siendo los más comunes los paralelos,

contracorriente y cruzados-. 2. Configuración interna, -siendo los más comunes los de tubo-coraza y de placas-. La caldera comúnmente se considera como un intercambiador de calor cerrado, donde claramente el objetivo se postula con la vaporización presurizada de un fluido, -en lo general agua- utilizando como fuente de calor a un fenómeno de combustión. La mayoría de las calderas responde a arreglos tubo-coraza, donde según quien circule por el interior de los tubos se tendrán: 1. Calderas ignitubulares, son las más comunes y donde la presión del vapor es

inferior a 200 psi. 2. Calderas acuotubulares. La eficiencia de un intercambiador de calor es un cuociente entre, la energía capturada efectivamente por el receptor y la energía que coloca a su disposición el dador. Aplicando en forma simplificada las ecuaciones de la termodinámica, sería un cuociente entre flujos entálpicos, tomados en su versión absoluta.

Térmico I. Calor = dador hent) - (hsalm

receptor hent) - (hsalm

La metodología –y por lo tanto los resultados finales- para determinar cada uno de los términos está directamente relacionado al tipo de comportamiento de los fluidos, simplificaciones y omisiones algebraicas y algo muy relevante como es la definición del lugar donde se efectuarán las cuantificaciones, lo cual podría transformar el rendimiento de un equipo por el rendimiento de una instalación. Para los efectos de la caldera y considerando la alta incidencia en el aspecto magnitud de energía y costos económicos, existen diversas visiones para definir la eficiencia, una de las más usadas es la metodología directa de la ASME, según la cual la eficiencia será el cuociente entre la energía capturada por el agua-vapor y la energía que nominalmente pone a su disposición el combustible que habrá de quemarse.

Térmico Caldera = PCI m

hent) - (hsal m

comb

O H2

donde PCI : poder calorífico inferior al combustible. El rendimiento de la caldera depende fundamentalmente de la carga (cuociente entre producción real y la nominal) –véase esquema adjunto y donde en forma adicional se presenta esquemáticamente una caldera ignitubular de dos pasos en los gases.

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CURVA RENDIMIENTO DE CALDERA CALDERA IGNITUBULAR Evidentemente debe operarse lo más próximo a la condición de producción nominal. La eficiencia de la caldera puede optimizarse mediante: 1. Mejoras en la combustión y sistema de quemado. 2. Procurando una temperatura de gases a la chimenea lo más baja posible, en

ningún caso inferior a 180ºC, para conservar el tiro ni promover pérdidas exageradas.

3. Disponiendo aislaciones térmicas. 4. Utilización de economizadores y/o precalentadores de aire. 5. Limpieza y mantención periódica. 6. Uso de agua blanda para evitar incrustaciones. El diseño debe responder eficientemente a condiciones de operación preestablecidas (producción de vapor y presiones del mismo), luego cualquier funcionamiento en condiciones distintas a los parámetros de diseño lleva a una disminución del rendimiento.

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PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO - CALDERA DE VAPOR La caldera de vapor ubicada en los Laboratorios del Departamento de Ingeniería Mecánica USACH, junto a su correspondiente manifold en caso de existir, satisfacen adecuadamente los requerimientos simultáneos de la totalidad de equipos y maquinarias, sin embargo, cada uno de estos en forma individual es un pequeño consumidor, en relación a la capacidad de producción nominal de la caldera. La situación anterior, operación de un único consumidor, se manifestará con los siguientes efectos en la caldera: - Operación discontinua del quemador de combustible. - Operación discontinua e intermitentes del sistema de alimentación de agua. - Bajo rendimiento térmico por operar con un pequeño porcentaje de su carga. Se deben observar e interpretar según planos el escurrimiento y líneas de circulación para cada uno de los fluidos (agua – vapor y reactivos de combustión – gases). Reconocer y observar la operación sincronismo de control en instrumental y equipamiento anexo tales como: - Manómetros - Presostatos - Quemador de petróleo por atomización mecánica - Tubo de nivel - Bombas de alimentación - Válvula de seguridad Las características de la caldera se pueden resumir en: Fabricante I.VAR Industry Capacidad nominal : 800 Kgmvapor/hora a 11.8 bar(g) Superficie de calefacción : 14 metros cuadrados Tipo : Ignitubular, tres pasos en los gases Combustible : Petróleo diesel Nº 2 Quemador : Inyección mecánica, automatizada Presión inyección : 100 psig Alimentación de agua : Bombas centrífugas, succionando agua blanda desde

un estanque de condensado. Equipamiento anexo : Manifold de distribución si correspondiese,

manómetros, presostatos, tubo de nivel, válvula de seguridad, etc.

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VISTA EXTERIOR DE LA CALDERA Y EQUIPAMIENTO ANEXO

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ESQUEMA GENERADOR DE VAPOR DE LA CALDERA Para la cuantificación del rendimiento térmico de la caldera utilizará el Método Directo de la Metodología Estandarizada A.S.M.E. (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos), según la cual:

disponible Energía

agua el por capturada Energíacaldera térmico

despreciando el efecto de las purgas y evaluando la energía disponible a partir del poder calorífico inferior, se tiene para un período de tiempo tal que permita amortiguar los efectos transientes por la operación intermitente del quemador y bombas de agua.

térmico caldera =

PCIm

hhm

comb

entsalvap

El flujo instantáneo de vapor se puede obtener mediante un flujómetro en la red de vapor o por un método volumétrico ó másico del condensado una vez que el vapor abandone el equipo consumidor. El combustible utilizado, -petróleo diesel N°2-, se obtendrá mediante el producto del flujo instantáneo en los inyectores y el tiempo de operación de estos durante el ensayo. La construcción de la curva de rendimiento requiere la evaluación del mismo para diferentes porcentajes de carga y deberá ser validada, en lo posible con otras metodologías de ensayo, por ejemplo el método A.S.M.E. indirecto. Operativamente se deberán establecer condiciones estacionarias de operación en términos de presiones, temperaturas y flujos de fluidos tanto en la caldera como en circuitos anexos. Se exceptúa el circuito de combustible cuya operación discontinua requiere una integración en el tiempo. Definir un periodo de tiempo para el ensayo, - a lo menos 10 minutos – donde conservando las condiciones indicadas en el párrafo anterior, deben evaluarse y/o considerarse los siguientes parámetros:

Producción de vapor: Evaluación de flujo másico a través de métodos volumétricos ó másicos, luego de la condensación del mismo en un único equipo consumidor del vapor de la caldera (conjunto intercambiador de calor y trampa de vapor).

Entalpía del agua de alimentación de la caldera: Condición de líquido saturado a la temperatura del agua en línea de alimentación, eventualmente puede considerarse la temperatura en el estanque de condensado.

Entalpía del vapor producido: Condición de vapor saturado, su determinación considera utilizar el titulo o calidad calculada esta experiencia y la presión del mismo cuantificada en el manifold de distribución si este último existiese. Sin perjuicio de lo anterior mediante un calorímetro podría obtenerse un resultado más directo.

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Consumo de combustible: Integración en el tiempo de operación del flujo instantáneo de combustible en los inyectores del quemador. Este ultimo corresponderá al valor nominal especificado si el combustible es petróleo diesel Nº2 y la presión de inyección es 100 psig. Al existir divergencias por densidad de combustible o por la presión de inyección deberán ser utilizadas las curvas de operación de inyectores.

INTERCAMBIADORES DE CALOR Se utilizará como intercambiador de calor a un equipo acondicionador de aire, en la versión de calentamiento sensible, haciendo uso de la condensación del vapor de agua, este último aspecto se logra mediante una trampa de vapor. El rendimiento del intercambiador estará dado por:

Térmico I. Calor = hent) - (hsal m

hent) - (hsal m

H2O

aire

usando valores absolutos tanto en numerador y denominador. Operacionalmente deben generarse condiciones estacionarias en temperaturas, presiones, flujos, humedades de aire, etc. El flujo de aire puede determinarse a partir de las velocidades lineales del mismo, aplicando la técnica de barrido en un ducto de sección conocida; dependiendo de la metodología de cálculo podrán aplicarse las ecuaciones de gas ideal para aire seco, y en el caso de hacer uso de carta psicrométrica (aire húmedo), será necesario cuantificar la humedad relativa. Entalpías de aire calefaccionado, para la cuantificación como aire seco en el modelo de gas ideal son necesarias las temperaturas de entrada y salida, y el calor específico a presión constante asumiéndolo como un valor único. De hacer un análisis psicrométrico son necesarias las temperaturas y al menos una de las humedades, por cuanto se habría de asumir un calentamiento sensible. La evaluación del flujo másico de vapor será con métodos volumétricos ó másicos luego de su condensación. Debe tomarse las precauciones de capturar la revaporización en la descarga de la trampa de vapor. En cuanto a entalpía del vapor, su determinación puede realizarse con calorímetros, en la descarga de la trampa debe evitarse el uso del tipo expansión. Para el caso de usar como dato a la entrada la entalpía de vapor, en la caldera o en su manifold se estaría determinando un rendimiento de la instalación por cuanto en la línea de transporte hay disipación calórica al entorno.

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Ecuaciones para flujo calórico absorbido en el Intercambiador de Calor. En el caso de gas ideal

tivarepresentaflujoaire

aire VART

Pm

Tent)(TsalCpmQ aireaire

En el caso de aire húmedo (opción psicrométrica).

secoA

tivarepresentaflujoaire

v

VAm

donde v A seco es el volumen del aire atmosférico referido a la masa de aire seco, finalmente

)H(HmQ entsalaireaire

donde H representa la entalpía del aire atmosférico referido a la masa de aire seco, comúnmente se obtiene de la carta psicrométrica.

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APÉNDICE

ESQUEMA DE LA INSTALACION

1. Estanque condensado y alimentación.

2. Bomba de alimentación.

3. Quemador.

4. Caldera

5. Manifold de almacenamiento y distribución, en caso de existir.

6. Línea de transporte y distribución.

7. Equipo acondicionamiento de aire.

8. Trampa de vapor.

H2O

1

2

3

Combustible

Aire

4

Vapor

Gases

5 6

Aire Frío

Vapor Aire Caliente

7

8

Condensado

H2O

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TABLA DE SATURACIÓN DEL AGUA

UNIDADES Temperatura : Grados Celsius

Presión : Bar absolutos

Volumen específico : Metros cúbicos/kgm

Energía interna : KJoule/kgm

Entalpía : KJoule/kgm

Entrópica : KJoule/kgm ºK

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AGUA TABLA VAPOR SATURADO

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CARTA PSICROMETRICA DEL AIRE

CARTA PSICROMETRICA AIRE ATMOSFERICO

(PRESION = 1,013 Bar (a))