LABORATORIO Nº 8: GENERADOR DE VAPOR GENERADOR DE VAPOR 1.- INTRODUCCIÓN. El presente informe de laboratorio tiene como objetivo estudiar el funcionamin!o "# $n%a"o% cantidades que intervienen intervienen en su operación. operación. En el informe informe se realiza realiza una " &a'o% y evaluar las cantidades breve referencia histórica del desarrollo de #o( $n%a"o%( o ca#"%o( , que como sabemos fuer fueron on #o( 'i#a%( 'i#a%( " #a %&o#uci) %&o#uci)n n in"u(!%ia in"u(!%ia## comenzada hace más de un siglo, además conoceremos los tipos de calderos que existen y realizaremos cálculos con los datos obtenidos experimentalmente. Para Para empeza empezar, r, debemos debemos recordar recordar que el $n%a una m*+uina !,%mica que $n%a"o "o%% " &a'o% &a'o% es una luego o de que el comu(!i con&i%! a$ua #+ui"a n &a'o% lueg comu(!i# # en este caso el GLP! le ha entregado parte de su energ"a. #uego, este vapor puede ser utilizado en otra fase como por ejemplo para mover una turbina, que a su vez podr"a estar conectada a un generador el$ctrico y obtener de esa forma electricidad.
/.- OB0ETIVO.
%amiliarizarse con el aspecto f"sico y funcionamiento de un caldero. &omprobar el cum'#imin!o cum'#imin!o " #o( '%oc(o( que se dan por la !%an(fo%maci)n " n%$a. 'eterminar el rendimiento de un ca#"%o 'i%o-!uu#a% usado usado en el laboratorio!. (ealizar un (!u"io " #a( ',%"i"a( producidas trabajando a m"ia 2 '#na ca%$a. (ealizar un a#anc !,%mico "# ca#"%o 'i%o-!uu#a% .
3i$u%a. )uestra de un $n%a"o% o ca#"%o " &a'o% usado en a'#icacion( in"u(!%ia#(.
4.- 3UNDA5ENTO TEÓRICO. 4.1.- 6i(!o%ia (o% #o( $n%a"o%( o ca#"%o( " &a'o%. *asta '%inci'io( "# (i$#o 7I7 se usaron calderos para te+ir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que D. Pa'in creó una peque+a caldera llamada ma%mi!a. e usó vapor para intentar mover la '%im%a m*+uina 9om)nima , la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor h-medo de baja temperatura!, y al calentarse, $sta dejaba de producir trabajo -til. #uego de otras experiencias, 0am( a!! completó una m*+uina " &a'o% de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial ingl$s muy conocido. #a m*+uina #mn!a# " &a'o% fue inventada por Dioni(io Pa'in ;1<=>? y desarrollada posteriormente por 0am( a!! ;1<<=?. nicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Estas fueron las impulsoras de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y contin-a en el nuestro. )áquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos a+os como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad, y como consecuencia directa, el ma2o% '(o 'o% @ " 'o!ncia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura. 'entro de los diferentes !i'o( " ca#"%o( se han construido ca#"%o( 'a%a !%acci)n, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. /ambi$n se hizo un ca#"%o mu#!i9umo !uu#a% con haz de tubos movibles, preparada para +uma% ca%)n o #i$ni!o . El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. Para medir #a 'o!ncia " #a ca#"%a , y como dato anecdótico, a!! recurrió a medir #a 'o!ncia '%om"io " muc9o( caa##o(, y obtuvo unos 44 mi# #i%a(-'imin , o sea #i%a(-'i($, valor que denominó 6ORE POER potencia de un caballo!. Posteriormente, al transferirlo al sistema m$trico de unidades, daba algo más de <= $m($, pero la Oficina In!%naciona# " P(o( 2 5"i"a( " Pa%(, resolvió redondear ese valor a <, más fácil de simplificar, llamándolo Caa##o " Va'o% ;CV? en homenaje a a!!. 0 sea que, 1 a!!( F < CV.
3i$u%a. )uestra de una ca#"%o 'i%o-!uu#a% '%imi!i&a. 4./.- Pa%!( '%inci'a#( "# ca#"%o. 1na caldera es un recipiente en el que el agua u otro fluido, es calentada bajo presión. El fluido circula entonces fuera de la caldera para ser empleado en varios procesos o aplicaciones de calentamiento. El objetivo de una caldera como la usada en la experiencia es producir vapor a partir de agua. dealmente, el vapor producido ser"a &a'o% (a!u%a"o, pero suele producirse en muchos casos &a'o% (o%ca#n!a"o. #as calderas de vapor básicamente constan de dos partes principales2
4./.1.- C*ma%a " a$ua. (ecibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera. El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 1 cm por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. &on esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua. eg-n la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen #a( ca#"%a( " $%an &o#umn m"iano 2 '+uHo &o#umn " a$ua2
#as ca#"%a( " $%an &o#umn " a$ua son las más sencillas y de construcción antigua. e componen de uno a dos cilindros unidos entre s" y tienen una capacidad superior a 1 m4 de agua por cada m/ de (u'%fici " ca#facci)n. Estas calderas tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión de vapor y el nivel de agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. on muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.
#as ca#"%a( " m"iano &o#umn " a$ua están provistas de varios tubos de humo y tambi$n de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.
#as ca#"%a( " '+uHo &o#umn " a$ua están formadas por numerosos tubos de agua de peque+o diámetro, con los cuales ( aumn!a con(i"%a#mn! #a (u'%fici " ca#facci)n, y este aumento hace que sean más rápidas en la
producción de vapor. Poseen un buen rendimiento en la producción de gran cantidad de vapor, y debido a esto requieren de especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.
4././.- C*ma%a " &a'o%. Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. &uanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente tambi$n la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor. En la con(!%ucci)n " ca#"%a( " &a'o% se usa principalmente materiales de co% ;Cu?, ac%o, ac%o inoi"a#, y 9i%%o " fun"ici)n.
4.4.- 3uncionamin!o "# ca#"%o " &a'o%. El calor es suministrado a una caldera por la combustión de alguno o de varios combustibles, como la madera, el carbón, el aceite, o el $a( na!u%a# ;GLP?. #as calderas el$ctricas usan resistencias o elementos calefactores de tipo de inmersión. #a fisión nuclear tambi$n es usada como una fuente de calor para generar el vapor. #os generadores de vapor de recuperación de calor usan el calor rechazado de otros procesos, como las !u%ina( " $a(.
3i$u%a. E(+uma "# funcionamin!o " un ca#"%o " &a'o%. 4.J.- C#a(ificaci)n " #a( ca#"%a( " &a'o%. #a clasificación que se hará es en base al contenido que poseen los tubos. eg-n esto, las calderas se clasifican de dos tipos2 'i%o-!uu#a%( y acuo-!uu#a%(.
4.J.1.- Ca#"%a( 'i%o-!uu#a%(. 3qu", la fuente de calor se encuentra dentro de los tubos y el agua a ser calentada se encuentra fuera del sistema de tuber"as. En estos calderos, los gases y humos provenientes de la combustión pasan por los tubos que se encuentran sumergidos en el agua.
El objetivo es hacer que el calor fluya de forma tan completa como sea posible de la fuente de calor al agua. Por ejemplo, las #ocomo!o%a( " &a'o% tienen calderas piro4tubulares, donde el fuego se encuentra dentro de los tubos y el agua en el exterior. #as calderas piro4tubulares por lo general toman la forma de un juego de tubos rectos que pasan por la caldera, dentro de los cuales fluyen los gases de combustión. El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cil"ndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multi4tubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor. #a circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos. El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efect-a a trav$s de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos. El conjunto completo, con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones a instalación.
Vn!aKa( o nficio(.
)enor costo inicial simplicidad de dise+o.
debido
Incon&nin!( o "ficincia(. a
su
)ayor flexibilidad de operación.
)enores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
)ayor tama+o y peso.
)ayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
5o son empleadas para altas presiones.
3i$u%a. )uestra de los (+uma( de !i'o( " ca#"%a( 'i%o-!uu#a%(. 4.J./.- Ca#"%a( acuo-!uu#a%(.
3qu", la fuente de calor se encuentra fuera de los tubos y el agua a ser calentada se encuentra dentro del sistema de tuber"as. En esta caldera, los gases y humos de la combustión rodean los tubos que contienen en su interior un flujo de agua. En calderas acuo4tubulares, el agua fluye por dentro de los tubos, rodeados de fuego. #os tubos con frecuencia tienen un gran n-mero de curvas y a veces aletas para maximizar la superficie de transferencia de calor. Este tipo de caldera generalmente es preferido en aplicaciones de alta presión ya que la alta presión agua6vapor se mantiene dentro de tubos estrechos que pueden contener esta presión con una pared más delgada. #a producción de vapor de estas calderas es de unos 1 $9o%a cada una, a una presión de r$gimen de 14 a!m)(f%a( a(o#u!a( y a 4 C de temperatura. 'esde su construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el aHo 1>< se le fueron incorporados sopladores y quemadores para combustibles l"quidos. 3 lo largo de los -ltimos 78 a+os, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua4vapor y del acondicionamiento del agua de alimentación. En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc. #as calderas se construyen en una amplia variedad de tama+os, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.
Vn!aKa( o nficio(.
Pueden ser 'u(!o( n ma%c9a de forma rápida.
on peque+os y eficientes.
/rabajan de 98 a más atm.
Incon&nin!( o "ficincia(.
)ayor costo en su fabricación.
'eben ser alimentados con agua de gran pureza en los tubos conductores.
3i$u%a. )uestra de los (+uma( de !i'o( " ca#"%a( acuo-!uu#a%(. 4..- E# cic#o Ranin. 1no de los principales usos de los generadores de vapor es en los ciclos de potencia. 3 continuación describimos este ciclo t$rmico, que es el cic#o Ranin. El cic#o Ranin es un ciclo de potencia que opera con vapor. Este es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energ"a cin$tica, donde perderá presión. u camino contin-a al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado l"quido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder ingresarlo a la caldera. 3unque existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo agregar (o%-ca#n!a"o%( a la salida de la caldera que permitan obtener &a'o% (o%ca#n!a"o para que entre a la turbina y aumentar as" el %n"imin!o "# cic#o.
3i$u%a. )uestra del '%oc(o ;iM+ui%"a? y de la $%*fica T-( ;"%c9a? del cic#o Ranin. &ada una de las cua!%o '%im%a( cuacion( es fácilmente deducida del a#anc " n%$a y del a#anc " ma(a para un &o#umn " con!%o# . #a +uin!a cuaci)n describe la ficincia !%mo"in*mica "# cic#o y define la $anancia " 'o!ncia " (a#i"a respecto al ca#o% " n!%a"a. Ca#o% +u n!%a a# cic#o
Ca#o% +u (a# "# cic#o
T%aaKo O!ni"o n #a !u%ina
T%aaKo O!ni"o n #a oma
Eficincia "# cic#o
J.- 5ATERIALE EUIPO UADO. 3i$u%a. &aldero de vapor.
3i$u%a. istema de control del vapor.
E('cificacion( "# ca#"%o.
3i$u%a. &ontrol del caudal del flujo.
3i$u%a. /anque de depósito de agua.
3i$u%a. /ermómetro para el f#uKo "# GLP.
.- PROCEDI5IENTO.
Primero hay que verificar el ni&# "# a$ua en el tanque de depósito del sistema del caldero. :erificar el nivel del combustible en su tanque de depósito en este caso del GLP o $a( #icua"o " '!%)#o!. :erificar el ni&# "# a$ua en el interior del caldero de vapor. *acer una 'u%$a mc*nica del generador con una válvula ubicada en la parte inferior4 posterior. 3ccionar el in!%%u'!o% " a%%an+u en el !a#%o " con!%o#(. Esperar que el caldero alcance r$gimen de funcionamiento. e van a tomar los datos para %,$imn n m"ia ca%$a y %,$imn " ca%$a !o!a# o m*ima. 3demás debemos obtener el #i(!a"o " 'o%cn!aK( " #o( $a(( " (ca' que salen del tubo superior hacia la atmósfera.
<.- CONCLUIONE.
'el balance qu"mico, se concluye que a plena carga el porcentaje de combustión del ox"geno es mayor. in embargo, esto no mejora la combustión ya que el porcentaje de CO/ y CO es el mismo que en media carga. Ese porcentaje mayor de ox"geno se emplea en la generación de vapor de agua que al final aumenta las p$rdidas.
#as p$rdidas de calor que ocurren en el caldero se deben en mayor parte a las p$rdidas de calor por radiación, convección y otros ,lo que nos indica el estado de uso y antig;edad del generador< as" como tambi$n se puede deber a que $l = exceso de aire es relativamente aproximado con los datos tomados en el laboratorio que se pueden observar, ya que de un >?= tomado en el ensayo a un @9.9= hallado teóricamente.
3unque la potencia generada de la caldera a plena carga es mayor, no es -til ya que la eficiencia es baja comparada con la de media carga.
#a generación de potencia -til es directamente proporcional a las p$rdidas, como se observa de los "ia$%ama( " an2, en donde las p$rdidas aumentan significativamente. Este es la razón por la cual la eficiencia a plena carga es menor que a media carga.
1n parámetro cr"tico en las calderas es la temperatura de los gases de escape. 'e los cálculos realizados, a mayor temperatura2 se pierde mayor calor por gases de escape, se pierde más calor por evaporación del agua ya que se debe elevar más la temperatura de esta, se entrega más energ"a a la humedad del medio circundante, se pierde más calor en radiación y convección ya que aumenta la transferencia de calor de estos mecanismos por el aumento de esta temperatura.
#a temperatura de los gases de escape depende de la presión de vapor saturado que aumenta a plena carga.
8.- OBERVACIONE.
5o se ha realizado el análisis de formación de cenizas para la determinación de p$rdidas por carbón no consumido en la combustión, por lo que se ha considerado despreciable.
&omo el combustible empleado era l"quido $a( GLP! se ha despreciado el calor perdido por la evaporación de la humedad superficial del combustible.
#os valores hallados para el desarrollo de este laboratorio no se tomaron con mucha exactitud, ya que en el momento de la toma de datos los sensores que marcaban los datos variaban muy rápido y por ende la toma de datos y los cálculos a hallarse estarán dentro de los rangos que se ve"an en los sensores.
0tro inconveniente para los cálculos del ensayo a realizarse fueron que no alcanzaban los integrantes suficientes para la toma de datos, ya que como se ve en la tabla de datos son varios los que se van a tomar, a causa de lo dicho anteriormente se puede mencionar de la bomba que al tener al generador de gas a un nivel de liquido estable se apagaba y cuando faltaba se encend"a, pero en el ensayo era demasiado rápido que la bomba encend"a y pagaba en unos instantes, por ende el tiempo tomado para este laboratorio no es muy seguro.
#a temperatura que en la tabla de datos se pone como AE((05E3B se debe a que hab"a una exagerada variación con la otra temperatura de medición del gas, un motivo puede ser por el mantenimiento a los termómetros o por la antig;edad por ello tomamos el mayor valor que marcaban los termómetros ya que era lógico de acuerdo con el laboratorio.
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