UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE ALIMENTOS LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS 2
CALDERAS LAURA CAROLINA MONTOYA HINCAPIÉ LUISA FERNANDA HERNANDEZ VELEZ
OBJETIVOS
Evaluar la eficiencia de una caldera, conociendo sus principios de operación, así así como la configuración y características principales de ejecución.
Identificar las partes de una Caldera y observar su funcionamiento.
Conocer los diferentes tipos de calderas que existen en el medio y su funcionamiento.
MARCO TEORICO Una caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza semejan za de muchos contenedores de gas. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:
Esterilización: era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización). Para calentar otros otros fluidos, como por ejemplo, en en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para calentar petróleos pesados y mej orar su fluidez. Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera caldera es parte fundamental fundamental de las centrales termoeléctricas.
Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.Tabla1. Temperaturas registradas en la caldera. PRINCIPIO: El principio básico de funcionamiento de las calderas consiste en una cámara cám ara donde se produce la combustión, con la a yuda del aire comburente y a través de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor. TIPOS DE CALDERAS: Existen varias características que dan lugar a varias agrupaciones de las calderas que pueden ser:
En función a la posición relativa entre entre el fluido a calentar y los gases de combustión:
Con tubos múltiples de humo – Pirotubulares. Con tubos múltiples de tubos de agua – Acuotubulares.
En función del número de pasos:
De un paso de recorrido de los gases. De varios pasos.
En función del tipo de tiro:
De tiro natural. De tiro inducido. De tiro forzado.
En función de las necesidades energéticas del proceso:
Calderas de agua caliente. Calderas de agua sobrecalentada. Calderas de vapor saturado. Calderas de vapor sobrecalentado. Calderas de fluido térmico. Calderas con tubos múltiples de humo – Pirotubulares: En este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se e vapora al contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape. Calderas con tubos múltiples de agua – Acuotubular : En estas calderas, por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se encuentran en co ntacto con las caras exteriores de ellos. Son de pequeño volumen de agua. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimiento, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones se traducen en esfuerzos de tracción en toda su extensión. DATOS Tabla1. Temperaturas registradas en la caldera. Temperaturas Temperatura entrada agua alimentación
55°C
Temperatura de salida
160 °C
Temperatura de entrada
140 °C
Temperaturas de la superficie
44,8 °C 39,0 °C 33,0 °C Temperatura promedio: 38,9°C
Tabla 2. Presiones registradas en la caldera Presiones Presión atmosférica
12,48 PSI -
Presión de entrada
70 PSI
Presión de salida
75 PSI
86 KPa -
-
482,65 KPa 517,125 KPa
Tabla3. Caudal de combustible y caudal del vapor Caudal
:Caudal del combustible :Caudal del vapor
1x10-5 m3/s 0.6 L/min 1035 gal / h 1,088 x 10-3 m3/s 65.2981 L/min
Tabla4. Propiedades del combustible utilizado en la caldera: ACPM
Combustible ACPM
Pc ACPM
0.85 Kg/L 39577839 KJ/m3
Propiedades del vapor saturado
Hf a 140 °C: 589,13 KJ/kg Hfg a 140 °C: 2733,9 KJ/kg Entalpia mezcla antes estrangulamiento, He: 2758,1KJ/kg Entalpia del líquido comprimido a la temperatura del agua 55°C H lc: 230,23KJ/Kg Entalpia de vapor a la presión de la caldera a 482,65 KPa, Hv: 2747,1005 KJ/Kg
CALCULOS
∗100 = − H ) = ∗ ( ACPM∗ Donde:
= Flujo másico del vapor generado = entalpia del vapor a la presión de la caldera H = entalpia del líquido comprimido = flujo másico del combustible = poder calorífico del combustible ACPM
Entonces:
(2747,1005−230,23)KJ 65,2981 Kg = KJ 0,6 = 8,1 4 39577,839 L ∗0.85 Kg ∗ L
CALIDAD DEL VAPOR (X) He = Hf + X Hfg Donde:
He = entalpía después de válvula estrangulamiento (Tablas vapor sobrecalentado) Hf = entalpía especifica del agua saturada Hfg = entalpía especifica mezcla después estrangulamiento
Necesitamos despejar X, entonces: X = He – Hf / Hfg
X=
, – , ,
X = 0.79 Calidad del vapor = 79 %
ANALISIS DE RESULTADOS La eficiencia de una caldera, corresponde a la razón entre el calor absorbido y el calor liberado en el equipo. La diferencia entre el calor liberado y el calor absorbido correspondió a las pérdidas de calor de la caldera, Podemos observar que la eficiencia de la caldera analizada fue de un 8,14%, lo cual es baja y puede deberse a distintos parámetros que afectan su funcionamiento como por ejemplo la cantidad de aire para la combustión que debe ser entregado para lograr una buena mezcla aire/combustible y con ello una buena combustión; la suciedad acumulada en la caldera con el paso de los años, la pérdida de calor asociada a los productos (gases) de la combustión (en chimenea) o errores en la toma de datos. En cuanto a la calidad del vapor podemos observar que fue de un 79% lo cual es buena, pero comparada con la eficiencia no tendría sentido, ya que, la eficiencia debería ser alta. APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS Existe una alta gama de aplicabilidad de las calderas en la industria alimentaria como por ejemplo: panaderías industriales carnicerías, procesos de rendering fabricación de comida procesada y comida para bebés bebidas y productos lácteos. para esterilizar autoclaves pasteurizar leche alimentar una marmita. Para limpiar los equipos e instalaciones CONCLUSIONES
Se identificaron las diferentes partes de una caldera, se observó su funcionamiento y se realizaron diferente toma de datos para así cuantificar su eficiencia al momento de la operación. Se conocieron los diferentes tipos de calderas y su función en la industria de alimentos. Se observó que la eficiencia de la caldera depende de múltiples factores, desde el combustible hasta el mismo mantenimiento de esta. Las calderas en la industria de alimentos tienen gran importancia ya que estas servirán para generar vapor el cual se transportará para diferentes equipos de una empresa los cuales pueden ser intercambiadores de calor, marmitas, birreactores, que son de vital importancia para llevar a cabo procesos de pasteurización, crecimiento microbiano, esterilización, entre otros procesos que son de real importancia para la formación de un producto o materia prima de alimentos. BIBLIOGRAFIA
http://publish.zulcon.com/downloads/documents_files/CAPITULO-3Sec.pdf TERMODINÁMICA, (II), Y.A. Çengel y M.A. Boles, Ed. McGraw Hill, 2001 http://termodinamica.us.es/termica/examenes/2001/jun2001/node4.html http://blog.ete.es/calderas-vapor-industria-alimentaria/
