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LABORATORIO DE PROCESOS 2015-1
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL
UTFSM, CASA CENTRAL, VALPARAISO
EXPERIENCIA T1G02B
Dimensionar una caldera pirotubular para un servicio de 2.000[kg/h] a 5[bar]
utilizando disel. Seleccionar bomba de inyeccin de agua y quemador. Calcular
la solucin terica y procedimiento experimental.
PROFESOR Juan Yianatos
AYUDANTE Camila Hauck
FECHA 25/Marzo/2015
EQUIPO DE TRABAJO CALDERA
GRUPO GRUPO 02 B
ALUMNO 1 Anglica Durn
ALUMNO 2 Jimena Garca
ALUMNO 3 Vctor Narbona
PREINFORME X
INFORME
NOTA FINAL
REVISION
T1G02B-Durn, Garca Narbona
Laboratorio de procesos 2015-1
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Resumen
En el presente informe se detallan los criterios y fenomenologa en que se basa el dimensionamiento
de una caldera pirotubular de 3 pasos para un flujo continuo de vapor de 2000[kg/h] y una presin de
operacin de 5[bar]. Despus de realizar los balances de transferencia de masa y calor para el sistema y
asumir condiciones de proceso se obtuvo las dimensiones de la caldera: cuyos valores resultan ser 3,3
[m] y 1,18 [m] de largo y Dimetro de coraza respectivamente. La caldera diseada es de tipo escocesa
de tres pasos: hogar (donde ocurre la combustin), paso 2 y paso 3. El hogar tiene un largo de 2,03
[m], el primer paso y segundo paso 2,36[m]. El segundo paso consta de 15 tubos y la del tercer paso de
10 tubos. Con esta configuracin el rea total disponible en la caldera para transferir calor es de 928
[m2]. Adems del dimensionamiento de la caldera se detalla el procedimiento experimental que se
llevar a cabo en la sala de caldera del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad. En
este procedimiento se detalla la puesta en marcha de la caldera adems de las mediciones que deben
realizarse con el fin de obtener una comparacin con los parmetros asumidos en el diseo de la
caldera, y posteriormente realizar una correccin de stos para que el diseo sea ms realista. Las
principales mediciones a realizar son: flujo de combustible, flujo alimentacin de agua, flujo de vapor,
flujo de gases de combustin, temperatura de gases a la entrada de la caldera, temperatura de gases en
chimenea, temperatura manto y caras laterales de la caldera, temperatura del vapor y composicin de
los gases.
Objetivos
Objetivo General
Dimensionar tericamente una caldera pirotubular , para un flujo de servicio de vapor
continuo de 2000 [kg/h] a una presin de operacin de 5 [bar].
Objetivos especficos
Comprender el funcionamiento de una caldera pirotubular para plantear la fenomenologa
asociada a los procesos de transferencia de calor y masa.
Seleccionar una bomba de inyeccin de agua y quemador en base al dimensionamiento terico
obtenido.
Elaborar una metodologa de manejo experimental de la caldera del LOU, que permita obtener
a escala piloto los parmetros operacionales, para as compararlos con los que fueron asumidos
tericamente.
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Desarrollo del problema propuesto Clculo terico de la solucin al problema
Ilustracin 1: Diagrama sistema de caldera a dimensionar
Los resultados obtenidos del dimensionamiento de la caldera se detallan en el anexo 1. Para resolver el
problema, se realiza un anlisis de transferencia de masa y calor en los distintos elementos de la
caldera. Para ello, se realizan las siguientes suposiciones:
La caldera se encuentra en estado estacionario y tiene una eficiencia de un 80%
Las prdidas de calor totales consideran un 20% del total del calor transferido y se asocian a las
prdidas por conveccin-radiacin y gases de chimenea.
El rendimiento de la combustin es del 100%, con un exceso de aire de un 15%.
Para efectos de comprobacin de los supuestos tericos se disear una caldera escocesa de 3 pasos, con un hogar (paso 1) y dos pasos de tubos. (Ilustracin 1)
El disel, aire y agua ingresan al quemador a la misma temperatura (Temperatura ambiente)
La cmara de la caldera se encuentra en su totalidad con agua saturada, y su volumen es muy grande, por lo que el flujo de alimentacin de agua no perturba el equilibrio del sistema.
Para efectos de simplificacin de clculo, se considera una temperatura promedio en cada paso de sistema hogar-tubos, para evaluar las propiedades termodinmicas aplicadas en cada zona.
En primer lugar se procede a calcular el calor total absorbido por el agua ( ), sabiendo que el flujo
de vapor de servicio producido es constante e igual al flujo de agua que ingresa a la caldera, debido al
supuesto de que se est trabajando en estado estacionario:
[
]
Balance global de energa en el agua
( ) (1)
Asumida la eficiencia de la caldera (80%), se obtiene el Flujo de entrada de Diesel, mediante:
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(2)
Con la estequiometra de la reaccin de combustin (Anexo 2) y asumiendo un porcentaje de exceso
de un 15% y mediante el balance de masa en el quemador, se obtienen los flujos de aire alimentado y
el flujo total de los gases a la salida de este (F1). Con estos flujos se obtiene la temperatura con la que
entran los gases de combustin al hogar (T1).
Balance de masa y energa en el quemador:
(3)
(4)
Con el valor de T1, se obtiene la temperatura de salida de los gases, mediante:
Balance paso 1 - paso 2 - paso 3
(5)
Las superficies de transferencia de calor se subdividen en 3 reas: Paso 1, Paso 2 y paso 3, donde cada
una de ellas aporta con un calor transferido de QT1, QT2 y QT3, y se relacionan con el Qt:
(6)
(7)
El calor transferido total, corresponde a la suma de cada una de las prdidas totales. Con el calor
transferido total y con una suposicin inicial de distribucin porcentual de calor de transferencia por
cada paso, se obtienen los calores transferidos individuales (QT1, QT2 y QT3), los cuales tienen el
siguiente balance de energa:
Balance de energa en el paso 1 (Hogar)
( ) (8)
Balance de energa en el paso 2 (Tuberas)
( ) (9)
Balance de energa en el paso 3 (Tuberas)
( ) (10)
Con el valor de QT1, se obtiene el valor de temperatura de salida del hogar y con el valor de QT3 se
obtiene el valor de temperatura de entrada al paso 3. Al reemplazar los valores de temperatura en la
ecuacin 5, se obtiene un valor de QT2, el cual debe coincidir con el propuesto en la suposicin. Se
itera la distribucin del porcentaje hasta obtener los dos valores de QT2 iguales.
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Realizada la iteracin, es decir, obtenidos los valores de QT1, QT2, QT3 y los perfiles de temperatura,
se calcula el rea de cada seccin segn las ecuaciones (8), (9), (10). Adems, el coeficiente de
transferencia de calor referido a la superficie externa de un tubo:
( )
Para obtener los valores de ho (coeficiente convectivo de ebullicin) y hi (coeficiente interno de una
caldera pirotubular), se utilizaron las correlaciones detalladas en los anexos 4 y 5. En donde se asume
un dimetro interno (2 a 3 [in] segn criterio) de los tubos para cada paso. Con los dimetros asumidos
y los valores de las propiedades de los gases se obtienen los coeficientes de transferencia de calor para
cada paso. Y de la ecuacin de transferencia de calor se obtienen las reas de transferencia de cada
paso:
Luego tenemos la frmula para el rea de transferencia para cada paso:
Con la que podemos calcular el largo de cada paso, esto se logra estimando el nmero de tubos con la
relacin: Se cuenta con el flujo total de gases de combustin (FT) y se asume en base a criterio el flujo de gases
que transita por cada tubo (Ftubo =45-90[Kg/h]). Con estas relaciones se calcula el largo para los pasos,
que no deben tener una diferencia de ms del 6%. Con el largo de los pasos se estima el largo de la
coraza que debe ser mayor en alrededor del 40%. Luego con el largo de la coraza obtengo su dimetro
mediante la relacin: . Y en base a todas las suposiciones realizadas se puede
dimensionar la caldera.
Quemador
Para seleccionar el tipo de quemador se utiliza uno que cumpla con las especificaciones de capacidad
del quemador (1872 [kW]) y flujo de combustible (158 [kg/h]). Se escoge un quemador Baltur TB
210 P 50 Hz.
Bomba
La bomba centrfuga seleccionada corresponde a: Bomba centrfuga Grundfos CM -1-3G en base a los
criterios:
Cantidad de bombas: Se utiliza una sola bomba que opera a la capacidad del flujo de agua requerido:
2000 [kg/h]. (Otra bomba se utilizar como Spare).
Altura dinmica total de la bomba: Para que la presin entregada por la bomba sea superior a la
existente en la caldera, se utiliza la siguiente relacin: H a vencer= 50 [m H2O] (lo entregan los 5 bar
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de presin del vapor) + 1 [m H2O].
NPSH Disponible: Se asume que se provee un estanque con carga de agua necesaria para evitar la
cavitacin.
Las especificaciones de ambos equipos se detallan en los anexos 6 y 7.
Procedimiento experimental
En la ilustracin 2 se detalla el diagrama de proceso de la caldera del LOU en la cual se
realizarn las mediciones necesarias para realizar el informe.
Gases Combustin
Agua Tratada
Estanque Agua
Estanque Diesel
Aire
Vapor
Purga
LIC 1 PAH
1
LI1
LI2
PI1
Quemador
Caldera Pirotubular
AI1
V. Seguridad
Ilustracin 2: Diagrama de proceso caldera pirotubular LOU
1. Antes de ingresar a la sala de caldera, verificar la utilizacin de los EPP, sean estos zapatos de seguridad, guantes de cueros, casco y antiparras.
2. Con la ayuda del operador de la caldera se realiza una prueba para verificar que la dureza del agua sea la adecuada para ingresar a la caldera. Se utiliza un kit de dureza para medir el
contenido de precipitado de sales, los cuales afectan a la caldera en trminos operativos y
estructurales.
3. Se verifica que las vlvulas del sistema estn en la posicin adecuada. En especfico, la vlvula de purga, la vlvula de salida de vapor, la vlvula de entrada de combustible y la vlvula de la
bomba spare deben encontrarse cerradas, mientras que la vlvula de la bomba de alimentacin
de agua debe encontrarse abierta.
4. Se verifica que haya combustible y agua disponible en los estanques en donde se almacenan, realizando la medicin de los niveles respectivos.
5. Verificar el nivel de agua en la caldera, que en caso de ser excesivo, se abre la vlvula de purga, la cual adems de bajar el nivel de la caldera, elimina las sales formadas. Si el nivel de
agua es muy bajo, se activa la bomba de alimentacin de agua para realizar un llenado hasta un
nivel dentro del rango aceptado, especificado en el medidor de nivel de la caldera.
6. Se enciende el quemador, el cual alimenta slo aire en una primera instancia con el fin de eliminar gases remanentes de operaciones anteriores (pre barrido).
7. Se abre vlvula de alimentacin de disel, el cual entra por los quemadores, y se pulveriza para
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mezclarse con el aire de entrada al quemador y as generar la combustin.
8. Se espera que la caldera alcance la presin mxima de operacin (7[bar]). Mientras alcanza los 7[bar] se realizan mediciones en el nivel de estanque de agua, combustibles, temperaturas de la
caldera, etc. Esto con el fin de conocer cmo se comportan los parmetros en estado transiente.
9. Una vez alcanzada esta presin se abre la vlvula de salida del vapor. Luego con la vlvula de vapor hacia el proceso de condensado se comienza a bajar la presin del sistema hasta llegar a
5[bar].
10. Al abrir la vlvula de vapor se registra el cambio de nivel que hay en el estanque de agua y el tiempo en que esto ocurre con el fin de medir del flujo de agua que ingresa a la caldera.
11. Una vez que el equipo se encuentre operando a 5[bar], registrar variaciones de nivel y tiempo para cada momento en que cambie el nivel de agua del estanque de alimentacin y medir cada
10 minutos el cambio de nivel y tiempo en el estanque de combustible.
12. Una vez que el equipo se encuentre operando a 5[bar], se realizan mediciones de temperatura en la caldera con un pirmetro ptico. Se mide la temperatura a la entrada del hogar y la
temperatura en la chimenea de gases de combustin. Tambin se realizan mediciones a la
superficie del manto y las caras laterales de la caldera, para posteriormente calcular las prdidas
por conveccin y radiacin.
13. Con presin de operacin de 5[bar] se mide el flujo de gases de combustin que sale por la chimenea con un tubo pitot.
14. Finalmente con un balde de 25[L] se mide el flujo de condensado, y el tiempo que demora en llenar cierto volumen, para obtener el flujo de vapor que produce la caldera. Adems se mide la
temperatura de este para obtener la presin de vapor.
Material a utilizar
Tabla 1: Materiales, insumos, servicios e instrumentacin a utilizar en la experiencia
Insumos Servicios Instrumentacin
Caldera pirotubular escocesa de 3 pasos.
2 Bombas de inyeccin de agua a la caldera.
Quemador TBML MC 50 Baltur.
Ablandador de agua.
3 Huinchas de medir.
3 cronmetros.
Balde 25[L].
Balanza
Kit de dureza..
Plumn.
Hoja de registro de toma de datos.
Cascos, lentes y zapatos de seguridad.
Capa y guantes de cuero.
Indicadores de nivel.
Tubo pitot.
Agua.
Diesel.
Electricidad
Termmetro.
Picnmetro.
Manmetros de bourdon.
Presostato.
Analizador de gases TESTO
T-350.
Vlvulas.
Termocplas.
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Anexos 1. Resultados dimensionamiento caldera
Tabla 2: Dimensiones carcasa caldera
Dimensiones Valor
Dimetro [m] 3,30
Largo [m] 1,18
Tabla 3: Dimensiones al interior de la caldera
Paso
Caldera
N tubos
Largo
tubos
Dimetro
ext. rea Transferencia U
[-] [m] [m] [m2] [kcal/m2*h*C]
1 (hogar) 1 2,03 0,356 178,25 1,76
2 (tubos) 15 2,36 0,051 295 1,27
3 (tubos) 10 2,36 0,051 455 3,4
Tabla 4: Parmetros de los flujos caldera
Parmetros Valor
F. agua[kg/h] 2000
F.vapor [kg/h] 2000
F. combustible[kg/h] 2539
F. aire [kg/h] 697
Tg in [C] 2121
Tg out [C] 410
T sat. Agua [C] 25
T in agua [C] 151,8
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Grfico 1: Perfil de temperatura de gases de combustin a la salida de cada paso
2. Nomenclatura de balances
: Calor total transferido [Kcal/h]
: Calor transferido en el paso 1(hogar), banco de tubos del paso 2 y 3
respectivamente. [Kcal/h]
Capacidad calorfica promedio de los gases de combustin del paso 1, paso
2 y paso 3.
: Flujo
: Calor absorbido por la masa total de agua dentro de la caldera [Kcal/h]
: Calor total de prdidas en la caldera [Kcal/h]
: Flujo de ingreso de agua [Kg/h]
Calor especfico del agua lquida a la temperatura de entrada a la caldera [Kcal/ C]
: Calor de evaporizacin de agua a presin de 5 [bar] [Kcal/kg]
: Temperatura de saturacin del agua a 5 [bar]
: Flujo de entrada de Diesel en el quemador [kg/h]
: Poder Calorfico Inferior del Diesel [Kcal/kg]
3. Reaccin de combustin del Diesel
4. Estimacin de hi
0500
1000150020002500
0 1 2 3Tem
pe
ratu
ra [
C]
Pasos
Perfil de Temperatura
Temperatura humos Temperatura Ebullicin
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5. Correlacin de Cornwell- Houston
[
]
6. Clculo del LMTD
7. Especificaciones Quemador
Ilustracin 3: Quemador seleccionado para la caldera dimensionada
Tabla 5: Especificaciones quemador de la caldera dimensionada
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8. Especificaciones Bomba
Ilustracin 4: Bomba seleccionada para caldera dimensionada
Grfico 2: Especificaciones bomba centrfuga
9. Carta Gantt Tabla 6: Carta Gantt procedimiento experimental
Actividad a realizar 08:00-09:00 09:00-10:00 10:00-11:00 11:00-12:00 12:00-13:00 13:00-14:00 14:00-15:00 15:00-16:00 16:00-17:00
Retirar material requerido en el paol Almuerzo
Contar con todos los EPP. Almuerzo
Anlisis de dureza del agua Almuerzo
Verificacin vlvulas del sistema Almuerzo
Verificacin de niveles de combustible y agua Almuerzo
Realizacin de purga a la caldera (si hay exc. De nivel) Almuerzo
Encender paneles elctricos quemador Almuerzo
Prebarrido tubos gases Almuerzo
Dar paso al combustible Almuerzo
Esperar que el sistema alcance 7[bar] Almuerzo
Bajar la presin del sistema a 5[bar] Almuerzo
Medir cambio de nivel en estanques agua y diesel Almuerzo
Medir Temperaturas definidas Almuerzo
Medir flujo condensado Almuerzo
Apagado de caldera Almuerzo
Horario
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10. Seguridad
Al operar una caldera existen diversos riesgos asociados, esto principalmente porque se trabaja con
altas temperaturas. Algunos de los riesgos principales en una caldera son:
1. Peligro de explosin: Ocurrido si es que la caldera supera la presin o temperatura mxima de
operacin. O bien mala manipulacin de las lneas de combustible.
2. Quemaduras: Provocadas por tener contacto con superficies calientes, que no han sido aisladas
apropiadamente. Por ejemplo, chimenea de gases de combustin.
3. Cadas de distinto nivel: Al realizar labores de operacin o mantencin en las partes altas de
una caldera.
4. Atrapamientos: Condiciones y acciones de riesgo cercano a equipos con movimiento.
5. Golpes: atribuido a condiciones y acciones de riesgo en la operacin.
Teniendo en cuenta los principales riesgos que existen al operar una caldera, los operadores de las
calderas deben ser personas capacitadas que tengan conocimiento de cmo evitar los riesgos descritos
anteriormente, y como solucionar los problemas de operacin antes que stos tengan consecuencias
ms graves. Es por esta razn que al momento de realizar las mediciones de la experiencia seremos
supervisados en todo momento por el operador de la caldera.
Para poder realizar la experiencia se debe hacer el ingreso a la sala de caldera con el equipo de
proteccin personal, que consta de: Capa, lentes de seguridad, zapatos de seguridad y guantes que
resisten altas temperatura.
Como grupo debemos evitar tener conductas de riesgo dentro de la sala de caldera, y si se identifican
condiciones de riesgo, stas deben ser notificadas al operador de manera inmediata, para as evitar
posibles accidentes.
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Referencias
V. Ganapathy, 2003, Industrial boilers and heat recovery steam generators, design,
applications and calculations.
S. Kakac, 2008, Boilers, evaporators and condensers.
Mutual chilena de seguridad, Seguridad en operaciones con calderas.
R.Muruganantham, G. Vignesh, R. Vignesh, P. Madhan, R. Kathiravan, 2013, Pool boiling
characteristics of wter over a horizontal stainless Steel tuve heater.
Programa Refprop NIST.
http://www.facebook.com/l.php?u=http%3A%2F%2Fnet.grundfos.com%2FAppl%2FWebC
APS%2FGrundfosliterature-3081233.pdf&h=hAQGaUnM3
http://www.baltur.it/es/es/Catalogo/Sistema/56450010/TBML_50_MC_50Hz