calderas

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

FACULTAD DE INGENIERÍA EN MECÁNICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCIÓN

SISTEMAS TÉRMICOS I

“ANÁLISIS Y DISEÑO TÉRMICO DE CALDERAS PIROTUBULARES HORIZONTALES CON QUEMADORES A DIESEL Y BÚNKER”

PRESENTADA POR: ING. NICK LEE QUIÑÓNEZ CERCADOPROFESOR PRINCIPAL: ING. VICENTE JOSÉ ADUM GILBERT; MSc.

INTRODUCCIÓN:

Descripción y partes constitutivas. Funcionamiento. Combustibles. Particularidades del diseño térmico de calderas

pirotubulares.

2

1. Hogar2. Haz de tubos3. Quemador4. Válvula de seguridad5. Conexión para control

de nivel de agua6. Ventilador de caldera7. Controladores de flujo y

presión de combustible8. Tapa frontal9. Tapa posterior10. Espejos

3

DESCRIPCIÓN Y PARTES CONSTITUTIVAS

FUNCIONAMIENTO

Instrucción de arranque a programador o PLC. Control automático del nivel de agua. Barrido de Gases dentro de la Caldera. Encendido de Llama Piloto. Encendido de Llama Principal. Modulación Automática de Llama. Apagado de Caldera Automática por Presión. Reposición de Agua a Caldera. Dispositivos de Seguridad.

4

COMBUSTIBLES Y PROPIEDADES

Propiedades de combustibles utilizados: DIESEL y BÚNKER

DIESEL BÚNKER

Densidad (kg/m3) 846 1012

Calor específico (J/kg-K) 2426 1700

PC_inferior (kJ/kg) 42512 40452

Viscosidad cinématica(m2/s) 0.0000021 Ver tabla

adjunta

5

COMBUSTIBLES Y PROPIEDADES

Viscosidad dinámica y cinemática del Búnker

Viscosidad: BÚNKER

Temperatura (ºC)

m(N-s/m2)

n(m2/s)

0 1400 1.38

3.125 500 0.494

5.25 300 0.296

10.25 150 0.158

15.25 45 0.0445

20.125 19.5 0.0193

50 0.85 0.00084

6

ENTALPÍA DEL VAPOR SATURADO vs. PRESIÓN DE OPERACIÓN DE LA CALDERA

7

ENTALPÍA DEL AGUA vs. TEMPERATURA

8

PARTICULARIDADES DEL DISEÑO DE CALDERAS PIROTUBLARES

PARÁMETROS FIJOS DE ENTRADA:

Tipo de combustible. Consumo de combustible. Exceso de aire necesario para la combustión. Presión de operación de la caldera. Condiciones ambientales.

9


PARÁMETROS DIMENSIONALES VARIABLES DE ENTRADA:

Longitud de la caldera. Número de pasos de la caldera. Diámetro del hogar. Diámetro de tubos en el haz de tubos. Cantidad de tubos por cada paso de caldera. Existencia de turbuladores en el haz de tubos.

10


RESULTADOS PARA ANÁLISIS DE DISEÑO:

Capacidad nominal de la caldera. Eficiencia térmica de la caldera. Temperatura de gases de combustión a la salida del

hogar. Temperatura de gases de combustión a la salida de la

chimenea. Caídas de presión totales.

11

TERMODINÁMICA DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES HORIZONTALES

Balance de Energía de la Caldera. Análisis Termodinámico de la Combustión en Calderas

Pirotubulares Horizontales. Propiedades de los Productos de Combustión. Eficiencia de una Caldera Pirotubular.

12


13

BALANCE DE ENERGÍA DE LA CALDERA


Volumen de control #1:

14


1v2vagua

coraza,L2vcaldera1v

vcoutgin

hmhmQ0EhmQhm

EEEE

coraza,Lcalderaagua EQQ

12vagua hhmQ

aguaatmopgvagua T@hP@hmQ


15


Volumen de control #2:

0EQEE

EEEE

combustión.prodcalderaecombustiblaire

vcoutgin

combustión.prodecombustiblairecaldera EEEQ


ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA COMBUSTIÓN EN CALDERAS PIROTUBULARES

SE CITAN LOS SIGUIENTES SUPUESTOS:

Se asumirá que los combustibles estarán compuestos únicamente por carbono (C) hidrógeno (H).

El exceso de aire que se tiene será el indicado para asegurar una combustión completa.

16


17


ECUACIÓN DE COMBUSTIÓN PARA COMBUSTIBLE ORGÁNICO:

22

2222x

y

Ox4y1EAN76.3x4

y1EA1

OHx2yCON76.3Ox4

y1EA1CH

4xy1EA3.764x

y1EA12xy1ntot

Combustible y/xDiesel 1.73Bunker 1.50

NÚMERO TOTAL DE MOLES:Cálculo de emisividad


18


CONCENTRACIÓN DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN:

ec.2.6

x4y1EA76.3x4

y1EA1x2y1

1nCOn

Xtot

2CO2

ec.2.7

x4y1EA76.3x4

y1EA1x2y1

x2y

nOHn

Xtot

2OH2

ec.2.9

x4y1EA76.3x4

y1EA1x2y1

x4y1EA

nOn

X

ec.2.8

x4y1EA76.3x4

y1EA1x2y1

76.3x4y1EA1

nNn

X

tot

2O

tot

2N

2

2


19

PROPIEDADES DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN

22222222

22222222

22222222

22222222

22222222

OONNOHOHCOCO.comb.prod

ii.comb.prod


ii.comb.prod


ii.comb.prod


ii.comb.prod


ii.comb.prod

XXXX

X

kXkXkXkXk

kXk

XXXX

X

CpXCpXCpXCpX Cp

CpXCp

PrXPrXPrXPrXPr

PrXPr


20

EFICIENCIA DE UNA CALDERA PIROTUBULAR HORIZONTAL

ECUACIONES RELEVANTES:

inff

aguacaldera PCm

Q

inff

aguaopgcaldera PCm

T@hP@hm

inff

coraza,Lcalderacaldera PCm

EQ

aguaopg

coraza,Lcalderav T@hP@h

EQm

TRANSFERENCIA DE CALOR EN CALDERAS PIROTUBULARES HORIZONTALES

Transferencia de Calor en el Hogar de la Caldera. Transferencia de Calor en el Haz de Tubos de la

Caldera. Pérdidas por Radiación y Convección por la Coraza de la

Caldera.

21


22

TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HOGAR DE LA CALDERA

Para el análisis radiativo se citan los siguientes supuestos:

La cámara de combustión se comporta como un cuerpo negro debido al hollín que se va a acumular en sus paredes.

La forma de la llama será cilíndrica con una longitud de la llama igual a la longitud del hogar y diámetro igual al 70% del diámetro interior del hogar de la caldera.


23


No existe generación interna de energía ya que no se analiza la energía de formación en la reacción de combustión del combustible si no que utilizando el poder calorífico inferior se considera la energía del combustible como un valor constante (análisis no reactivo).

La temperatura de los productos de combustión es aproximadamente la temperatura de la llama.

Los únicos gases participativos en la transferencia de calor por radiación son el vapor de agua y el dióxido de carbono.


24


LNLr,T qqq

División de Hogar en Secciones.

Energía de Combustible en VC1. Radiación Luminosa y No Luminosa.

H_in

hogar

DL

cionessec#


25


4sg

4ggH_in,sNL TTAq

cwg Emisividad del gas

CÁLCULO DEL CALOR NO LUMINOSO:

Donde:

cwg Absortividad del gas

in_Hs,A Área superficial interior del hogar

gT

428

KmW5.67x10σ

sT

Temperatura promedio del VC

Temperatura superficie interior del hogar

Constante de Boltzman

Ecuación de Combustión


26


1.- Se calcula la emisividad del componente a presión atmosférica por medio de la siguiente relación:

M

0i

N

0j

i

0a

ea10

j

0ijgea0 Lp

LplogTTcexpTbar, 1p,Lpε

2

ea

ma10

E

E

gea0

gea

LpLp

logcexpP1baP11a1

Tbar, ,1LpεTp,,Lpε

76.2

0a

eCOOH10

4.10

LpLpp

log0089.01017.10

22

2.- Se calcula la emisividad a la presión del sistema (aproximadamente la presión atmosférica) como sigue:

3.- Para el cálculo del factor de corrección de mezcla se utiliza la siguiente ecuación:

Emisividad del gas:


27


H_inH_in

part2

H_in

part3

H_in

part D*100*DL

DL06.1D

L28.0Le

Le: Longitud media del haz (mean bean lenght) y se calcula de la siguiente manera:

: se calcula de la siguiente manera:

22

2

COOH

OH

ppp

4.- Se calcula la emisividad del CO2 ó del H2O como se muestra:

i0

gii0i Tbar, 1,Lp


28


i0s

s

gii0

s

gi T,bar 1,

TT

LpTT 2

1

1.-Para el caso de la absortividad se deben utilizar las mismas ecuaciones que para la emisividad pero evaluadas en:

2.- Se calcula la absortividad del CO2 ó del H2O como se muestra:

Absortividad del gas:

s

s

gea0 Tbar, 1p,

TT

Lpε


29



30



31


4s

4gLL_sL TTAq

CÁLCULO DEL CALOR LUMINOSO:

Lε Emisividad de la llama

Donde:

partin_Hs_L L0.7xDπA Área superficial exterior asumido de la llama

428

KmW5.67x10σ Constante de Boltzman

gT

sT

Temperatura promedio del VC



32


ecy PLkrkL e1

1000T

37.011XPL16.3

X168.7k out

e

OHy

2

X[H2O] Concentración del agua en fracción.

P Presión total de la cámara de combustión. [MPa]

Le Longitud media del haz (mean beam length). [m]

X Suma de la presión parcial del H2O y del CO2.

Tout Temperatura de los gases a la salida del hogar.


33


HC5.0T00016.0EA2k outc

EA: Exceso de aire.

C: Fracción masa de carbono en combustible.

H: Fracción masa de hidrógeno en combustible.


34


COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

H_out,sH_outH_out,s

H_out,fH_in

H_out

H_in,s

H_in,f

H_in,sr,in

H_out,sH_out

Ah1

A"R

kL2D

Dln

A"R

Ah1

1AU


35


Para el cálculo de hin,r se citan los siguientes supuestos:

La transferencia de calor dentro del hogar de la caldera se realiza mediante radiación y no interviene la convección debido que, a pesar de que en la realidad existe una pequeña contribución de convección, esta se ve contrarrestada por el efecto de la re-radiación que se da entre cada uno de los volúmenes de control en los que es dividido el hogar.


36


Dicho coeficiente se genera debido al calor que se aporta por radiación, es decir la luminosa (proveniente de la llama) y de la no luminosa (proveniente de los gases calientes).

La temperatura superficial de la pared del hogar es siempre aproximadamente 4ºC más alta que la temperatura de saturación a la presión de operación de la caldera.

Se desprecia el efecto de la re-radiación entre volúmenes de control en el hogar.


37


De donde se tiene que:

sgH_in,s

r,Tr,in TTA

qh

Calor total radiativo disponible en el hogar de la calderarT,q

Área superficial interior del hogar de la calderain_Hs,A

gT

sTTemperatura promedio del VC



38


Para el cálculo de hout_H se aplica la ecuación de ebullición:

3

nffgf,s

s,pf2

1gf

fgf"

H_s PrhC

TCpghq

Viscosidad dinámica de líquido saturado del aguafμ

fgh Entalpía de vaporización del aguag Gravedad

fρ Densidad de líquido saturado del aguaDensidad de vapor saturado del agua

σ Tensión superficial del agua

fCp Calor específico de líquido saturado del agua

gρ

Correlación de Rohsenow para ebullición nucleada


39


satssp, TTT

Prandlt de líquido saturado del aguafPr

n"" y "C" s,f Depende del tipo de superficie y de la combinaciónliquido - superficie

s,p

"H_s

H_out Tq

h

Coeficiente convectivo en el exterior de la caldera

Calor total transferido por VCn:

satgH_out,sH_outH_T TTAUq


40


pp

H_Taaafffp Cpm

qTCpmTCpPCmT

Corrección de temperatura en primer volumen de control:


41


pp

H_Tppp)1i(p Cpm

qTCpmT

Corrección de temperatura en primer volumen de control:

VOLVER


42

TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HAZ DE TUBOS DE LA CALDERA


El sistema se encuentra en estado estable. La transferencia de calor se da solo por convección

desde los gases de combustión hacia el agua alrededor de los tubos.


43



ht_out,sht_outht_out,s

ht_out,fht_in

ht_ou

ht_in,s

ht_in,f

ht_in,sht_in

ht_out,sht_out

Ah1

A"R

kL2

DDln

A"R

Ah1

1AU


44


Para el caso de hin_ht se tiene que:

ht_in

t_pD D

m4Re

NÚMERO DE REYNOLDS

66.3NuD

4.08.0DD Pr100Re0214.0Nu

3.05/4DD PrRe023.0Nu

NÚMERO DE NUSSELT

ht_in

Dht_in D

kNuh

Turbulento

Transición

Laminar



Para el caso de hin_ht con turbuladores internos se tiene:

NÚMERO DE NUSSELT5.0

7.025.1

DD Pry

Re005484.01172.5Nu

it

d2P

)tan(2y


46


Para el cálculo de hout_ht se tiene que:

3

nffgf,s

s,pf2

1gf

fgf"

ht_s PrhCTCpg

hq

s,p

"ht_s

ht_out Tq

h

Calor total transferido:

satght_out,sht_outht TTAUq Ir a ecuación de corrección


47

PÉRDIDAS POR CONVECCIÓN EN LA CORAZA DE LA CALDERA


Las pérdidas de calor solo se dan por la coraza de la caldera y por convección natural.

La superficie interior de la coraza de la caldera se encuentra toda cubierta por agua.

Se asume que la temperatura del agua saturada dentro de la coraza es igual a la temperatura superficial interna de la coraza.


48



49


Lk2D

DLn

Lk2D

DLn

Lk2D

DLn

hA1

1AU

3

34

2

23

1

12

out,cout,c

out,cout.c



50


Para el caso de hc,out se tiene que:

NÚMERO DE RAYLEIGH

NÚMERO DE NUSSELT

4

aireD,uout,c D

kNh

aireaire

34airout,saire

DDTTg

Ra

12D

2

278

169

air

61D

D,u 10Ra ;

Pr559.01

Ra387.060.0N


51


CALOR TOTAL PERDIDO POR LA CORAZA airsatout,cout,ccoraza,L TTAUq

airout,cout,c

coraza,Lout,s T

hAq

T TERMPERATURA SUPERFICIAL EXTERNA CALCULADA

CAÍDAS DE PRESIÓN

Caída de Presión a lo largo del Hogar de la Caldera. Caída de Presión en el Haz de Tubos.

52

CAÍDAS DE PRESIÓN

53

in

2H

D2VLfP

DARCY - WEISBACH

pin

pD D

m4Re

NÚMERO DE REYNOLDS

FACTOR DE FRICCIÓN

DRe64f

2D 28.3ReLn58.1f

fRe

51.27.3

Dlog0.2

f1

D

H_inTurbulento

Transición

Laminar

CAÍDAS DE PRESIÓN

54

DIAGRAMA DE MOODY

CAÍDAS DE PRESIÓN

55

CAÍDA DE PRESIÓN EN EL HAZ DE TUBOS DE LA CALDERA

FACTOR DE FRICCIÓN CON TURBULADORES HELICOIDALES

23.42Ref D

05.0D

D yRe4.38Ref

3.0D

D yReCRef

7.6y

Re para D

100y

Re7.6 para D

100y

Re para D

432 y0069.0y211.0y12.2y82.8C

PRUEBAS DEL SOFTWARE

56

PRESENTACIÓN DE CASOS DE ESTUDIODATOS 30 BHP 150BHP

Longitud del hogar (m) 1.38 3.4

Diámetro interior del hogar (m) 0.303 0.54

Espesor de pared del hogar (m) 0.01 0.012

Longitud de tubos en haz (m) 1.38 3.4

Diámetro int. de tubos en haz (m) 0.033274 0.057404

Espesor de tubos en haz (m) 0.002413 0.003048

Número de pasos de la caldera 2 4

Existencia de turbuladores SI NO

Paso del turbulador (m) 0.18 ----

Cantidad de tubos en 2º paso 71 40

Cantidad de tubos en 3º paso ---- 31

Cantidad de tubos en 4º paso ---- 27

Diámetro exterior de coraza (m) 1 1.5


57

PRESENTACIÓN DE CASOS DE ESTUDIODATOS 50BHP 150BHP

Espesor de pared de coraza (m) 0.008 0.012

Espesor de capa de aislante (m) 0.05 0.05

Espesor de forro de aislante (m) 0.0007 0.0007

Tipo de aislante Lana de vidrio

Consumo de combustible (GPH) 9 45

Exceso de aire [combustión] (%) 20 20

Presión operación (psi) 125 150

Tipo de combustible Diesel Diesel

Eficiencia de ventilador (%) 65 65

M.S.N.M. 0 0

Temperatura del medio (ºC) 27 27

Temp. agua de alimentación (ºC) 100 100


58

PRESENTACIÓN DE CASOS DE ESTUDIOCaldera de 150 BHP a diesel marcaTERMPAK


59

PRESENTACIÓN DE CASOS DE ESTUDIOCaldera de 30 BHP a diesel marca THOMPSON COCHRAN BOILERS


60

CARGAR SOFTWARE


RESULTADOS 30BHP 150BHPCapacidad de caldera (BHP) 29.63 149.86

Eficiencia térmica (%) 85.47 86.45

Flujo de vapor (Lbm/h) 979.77 4943.76

Temp. gases chimenea (ºC) 254.24 233.15

Temp. gases a salida del hogar (ºC) 965.2 1017.12

Temp. vapor saturado (ºC) 174.16 181.04

Perdida de calor coraza (W) 1085.57 4130.38

Temp. superficial de la coraza (ºC) 49.76 51.3

Caída de presión en el hogar (Pa) 0.458 4.85

Caída de presión en haz (Pa) 19.802 319.73

61

CORRIDAS Y RESULTADOS OBTENIDOS POR EL SOFTWARE


62

ESTUDIO PARAMÉTRICO Y ANÁLISIS DE RESULTADOSCAPACIDAD DE CALDERA VS. CONSUMO DE COMBUSTIBLE

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70

Consumo de combustible (GPH)

Capa

cida

d de

cal

dera

(BHP

)


63

ESTUDIO PARAMÉTRICO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

EFICIENCIA TÉRMICA VS. CONSUMO DE COMBUSTIBLE

86

86.2

86.4

86.6

86.8

87

87.2

87.4

87.6

87.8

0 10 20 30 40 50 60 70


Efic

ienc

ia T

érm

ica

(%)


64


TEMP. GASES EN CHIMENEA VS CONSUMO DE COMBUSTIBLE

205

210

215

220

225

230

235

240

245

0 10 20 30 40 50 60 70


Tem

p. g

ases

en

chim

enea

(ºC

)


65


EFICIENCIA TÉRMICA VS. TEMPERATURA DE GASES EN CHIMENEA

86

86.2

86.4

86.6

86.8

87

87.2

87.4

87.6

87.8

205 210 215 220 225 230 235 240 245

Temp. gases en chimenea (ºC)

Efic

ienc

ia T

érm

ica

(%)


66


FLUJO DE VAPOR VS TEMP. AGUA DE ALIMENTACIÓN DE CALDERA

4000

4200

4400

4600

4800

5000

5200

0 20 40 60 80 100 120

Temperatura de agua de alimentación de caldera (ºC)

Fluj

o de

vap

or @

Tsat

(Lbm

/h)

calderas

Documents

ct cp gh

de la combusti

transferenci

de la

di esel

ot al

ht

sh