UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica – FIM Laboratorio de Ingeniería Mecánica II
LABORATORIO N° 1: GENERADOR DE VAPOR
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CONTENIDO INTRODUC INTRODUCCIÓN CIÓN................................. ................................................. ................................. ................................. .................................. ...................... .... 2 OBJETIVOS OBJETIVOS .................................. ................................................... ................................. ................................. ................................. ........................... ........... 3 FUNDAMENTO TEÓRICO ......................................................................................... 4 1.
Caldera Caldera................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. .............................. ............. 4
2.
Tipos ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................ 5 2.1. Acuotubulares ................... .......... ................... ................... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ......... 5 2.2.
Pirotubul Pirotubulares ares ................................. ................................................. ................................. .................................. .............................. ............. 5
3.
Elementos térmicos y componentes de una caldera .................. ........ ................... .................. ................. ........ 5
4.
Caldera empleada ............................................................................................... 6
5.
Rendimiento en calderas ..................................................................................... 7 5.1.
Pérdidas por Inquemados (Qi) ...................................................................... 8
5.2.
Entalpía de los productos productos de la combustión (Qh) .......................... ................ ................... ............... ...... 8
5.3.
PERDIDAS POR LA ENVOLVENTE DE LA CALDERA CALDERA (Qrc) ............. .... .................. ......... 8
INSTRUMENTOS Y MATERIALES ............................................................................ 9 1.
Caldera de Vapor Pirotubular : ..................................................................... 9
2. Analizador ORSAT: ORSAT: ................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... ................... .................. ........ 10 PROCEDIM PROCEDIMIENTO IENTO ................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. ................. 11 CÁLCULOS Y RESULTADOS .................................................................................. 14 1) Calor útil (Q1): ................................ ................................................. ................................. ................................. ............................... .............. 14 2) Calor perdido por los gases de escape (Q 2): ................................. .................................................. ................. 16 3) Calor perdido por evaporación del agua de formación (Q 3): ........................... ........................... 17 4) Calor perdido por humedad del aire (Q 4):................................. ................................................. ...................... ...... 17 5) Calor perdido por combustión incompleta (Q 5): ................................ .............................................. .............. 18 6) Calor perdido por fugas y radiación (Q 6): ................................. ................................................. ...................... ...... 18 BIBLIOGRAF BIBLIOGRAFÍA ÍA ............................... ................................................ .................................. .................................. .................................. ...................... ..... 22
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INTRODUCCIÓN En la primera parte del curso nos dedicamos al estudio de las turbinas hidráulicas más usadas para la generación eléctrica. Dichos laboratorios son de gran importancia para nuestra formación como ingenieros mecánicos electricistas puesto que la generación eléctrica aprovechando la potencia hidráulica de nuestro país ha sido y es actualmente la mayor fuente de generación constituyendo más del 50% diariamente. Esta forma de generación de energía eléctrica se ha constituido como la generación de base para nuestra demanda puesto que es la que produce un menor costo de producción, esto es, un precio competitivo, en comparación con las demás. Adicionalmente, presenta ventajas como necesitar un menor tiempo para su puesta en marcha y ser considera una de las más amigables con el medio ambiente. Sin embargo, en los últimos años gracias al boom del gas natural la matriz energética nacional ha variado considerablemente, incluso de forma alarmante. En el año 2000 la generación eléctrica haciendo uso del gas representaba menos del 10% en comparación a los más del 80% perteneciente a la generación hidroeléctrica. Ya para el año del 2004, con la llegada del gasoducto, el porcentaje alcanzado por la generación térmica haciendo uso del gas natural de Camisea llegó a ser del 20%. Durante todo este tiempo se ha hablado de una crisis energética producida por el congestionamiento innegable del gasoducto, no obstante, el porcentaje acaparado por la generación térmica ha continuado en aumento ocupando actualmente más del 40% de la matriz energética del Perú. Las principales causas de este vertiginoso aumento de plantas de generación térmica a gas natural se debe principalmente a dos factores: 1) menor tiempo de construcción de una planta térmica, 2) subvención del gas natural por parte del estado. Nos parezca correcto o no, la generación de energía eléctrica en plantas térmicas que utilizan el gas natural como combustible continuará aumentando, como lo demuestran las plantas proyectadas para el 2013, y es nuestro deber conocer los equipos que se utilizan en él. Por otro lado, debemos tener presente, también, que nuestro país está creciendo en el área de la agro industria y la exportación y creación de más empresas referidas a estos temas están haciendo que el uso de equipos como los calderos sean cada vez más utilizados y requeridos. Al igual que la industria médica y otros muchos sectores donde el caldero es sumamente importancia pues son la fuente de energía de la industria. En este laboratorio estudiaremos el caldero y sus características energéticas como eficiencia, fuente de pérdidas y calidad de su operación.
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OBJETIVOS
Conocer el funcionamiento de un generador de vapor (caldera) pirotubular.
Realizar un balance térmico del generador de vapor; así como hacer un estudio de su rendimiento considerando la importancia de este elemento en el sector industrial y plantas generadoras de energía eléctrica, teniendo en cuenta que del diagnóstico dependen las medidas a tomar con miras hacia un buen y eficiente funcionamiento de la unidad.
Reconocer las posibles pérdidas de energía existentes en un caldero; así como calcularlas para el consecuente análisis de la eficiencia del generador de vapor pirotubular.
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FUNDAMENTO TEÓRICO
1. Caldera La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. Según la ITC-MIE-AP01, 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 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 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 vapor para "esterilizar" los instrumentos médicos; 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). Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petroleos pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado. Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte 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.
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2. Tipos 2.1. Acuotubulares Son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.
2.2.
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 evapora al contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape.
3. Elementos térmicos y componentes de una caldera
Agua de alimentación: es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización. Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor. Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones. Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un agua de alcalinidad elevada. Condensador: sistema que permite condensar el vapor. Estanque de acumulación: es el estanque de acumulación y distribución de vapor. Des aireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera. Purga de fondo: evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera. Purga de superficie: evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera. Fogón u hogar: alma de combustión del sistema para buscar una mejora continua de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera. Combustible: material que produce energía calórica al quemarse. Agua de calderas: agua de circuito interior de la caldera, cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada. Ciclos de concentración: número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación. Alcalinidad: nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO 3 que confiere una concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5. Desoxigenación: tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas.
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Incrustación: sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera. Dispersante: sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante un evento de incrustación. Antiincrustante: sistema químico que les permite a los sólidos permanecer incrustantes en solución. Anticorrosivo: sistema químico que brinda protección por formación de filmes protectores ante iones corrosivos presentes en el agua. Corrosión: Acumulación de óxido y sales en las paredes de la caldera debido a las impurezas existentes en el agua o fluído de trabajo. Índice de vapor /combustible: índice de eficiencia de producción de vapor de la caldera.
4. Caldera empleada CALDERA PIROTUBULAR HORIZONTAL DE 30 BHP - 500 BHP 15 - 125 PSI
Fig. 1 Vista de Caldera marca Intesa.
Diseño y construcción bajo norma ASME- ASTMAlta eficiencia para combustibles N°2, 5, 6, R-500, G y Gas Natural Materiales certificados:Planchas de acero ASTM 285 - GRADE "C"- Tubos de fuego de acero sin costura - Norma ASTM-192-AControles de calidad: rayos x, ultra sonido, hidrostática y Eficiencia en todo su rango operacional. Elevada eficiencia superior a lso modelos convencionales. Optimización del uso de combustible. DISEÑO WET BACK O ESPALDA HUMEDA No utiliza refractarios en la parte posterior. Aumenta la superficie de transparencia y a la vez elimina los tabiques deflectores de refractarios. Cuentan con placas portatubos LABORATORIO N° 1: GENERADOR DE VAPOR
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica – FIM Laboratorio de Ingeniería Mecánica II separadas para cada cambio importante de temperatura en los pases, lo que previene los peligrosos esfuerzos que se originan cuando las placas se somenten a temperaturas tan elevadas como los 1600 °FEl 20% del área total de transferencias de calor se encuentra en la cámara de combustión posterior maximizando la transferencia de calor al agua. Esta pared trasera de agua esta a temperatura de saturación. Ahorro en el mantenimiento.
Fig. 2 Vista interna de la caldera Intesa.
Fig. 3 Fases de combustión en la caldera Intesa.
5. Rendimiento en calderas El calor que puede obtenerse en una combustión es el correspondiente al Poder Calorífico del combustible (PCI ó PCS), habitualmente referido al PCI. Al realizar la combustión, una parte del calor producido se pierde, asociado a los productos de la combustión; estas pérdidas se pueden agrupar en dos tipos:
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5.1.
Pérdidas por Inquemados (Q i)
Corresponden al poder calorífico de los productos de la combustión que no han sido totalmente oxidados. Únicamente se presentan en el caso de combustiones incompletas, siendo más altas cuanto mayor sea la cantidad de inquemados.
5.2.
Entalpía de los productos de la combustión (Qh)
Corresponde al calor utilizado en calentar los humos hasta la temperatura a la cual escapan por la chimenea, ya que a partir de ese punto el calor que llevan no se recupera. Estas pérdidas son mayores cuanto más altas sean las temperaturas de humos. También aumentan con el exceso de aire, ya que con el mismo aumenta el volumen de humos, transportando mayor cantidad de calor.
Con el fin de obtener el máximo rendimiento de combustión posible, ésta debe ajustarse de modo que se logre la combustión completa con el menor exceso de aire posible. Además, el gasto de combustible debe ajustarse de modo que se obtengan las temperaturas de humos más bajas posibles, produciendo la potencia necesaria para el servicio.
5.3.
PERDIDAS POR LA ENVOLVENTE DE LA CALDERA (Qrc)
En el conjunto caldera-quemador, además del rendimiento de combustión, analizado anteriormente, hay que tener en cuenta las pérdidas por convección-radiación a través de la envolvente de la propia caldera, debidas a que la misma se encuentra a una temperatura mayor que la del ambiente. Para disminuir estas pérdidas las calderas están dotadas de Aislamiento Térmico, o protección adiabática.
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INSTRUMENTOS Y MATERIALES 1. Caldera de Vapor Pirotubular : En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hayan rodeados de agua, es por esto que también se les denomina “Calderos con tubos de fuego”. Especificaciones Técnicas Marca Modelo Potencia Superficie de Calefacción Tipo de combustible Consumo de Combustible Max Presión de Diseño Presión de Trabajo N° de Serie
INTESA PTH-30-3-GLP 30 BHP 150 Sq-ft GLP 1,260 MBH 150 Psi 15-125 Psi 11680306
Fig. 4: Caldero de Vapor
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica – FIM Laboratorio de Ingeniería Mecánica II 2. Analizador ORSAT: Este instrumento permite analizar porcentualmente los gases producidos en el proceso de combustión tales como entre otros. Esto se logra mediante un análisis volumétrico restringido a la medición de volúmenes de gases. Un volumen medido de una mezcla de gases, a presión y temperatura conocidas, se somete a la acción de reactivos químicos selectivos absorbentes (para separar en procesos sucesivos los distintos constituyentes, cuyas cantidades se determinan al ser eliminados de la mezcla, por la disminución de volumen).
Fig. 5: Analizador ORSAT
Un Cronómetro digital.
Termómetros (0 –500 ºC) instalados en la caldera.
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PROCEDIMIENTO 1. Revisar el nivel de combustible (GLP) en su tanque de depósito 2. Verificar nivel de agua en el interior del caldero. 3. Purga mecánica del caldero de vapor, mediante la válvula ubicada en la parte inferior- posterior. 4. Accionar interruptor de arranque en tablero de controles. Una vez puesto en funcionamiento es necesario establecer la presión de trabajo (psi), esto se regula en el tablero de control.
Fig. 6: Tablero de Control del Caldero de Vapor
5. Esperar que el caldero alcance régimen de funcionamiento. 6. Mediante los instrumentos de medición instalados en el caldero tomaremos nota de los siguientes datos:
Temperatura del bulbo seco ambiente: TBS Temperatura del bulbo húmedo ambiente: TBH Temperatura del agua de alimentación: Ta Temperatura del combustible: Tc Diferencia de presión (inH2O), orificio instalado en la línea de GLP.
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Fig. 7: Medición de Diferencia de Presión en la línea de alimentación de GLP
Temperatura de gases de escape: Tg Diferencia de presión (inH2O), orificio instalado en la chimenea del caldero. Temperatura del vapor que sale. Presión de salida del vapor: Pv Desnivel en tanque de combustible. Tiempo en el que suceden los desniveles de combustible: tc.
Fig. 6: Chimenea del Caldero
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Fig. 5: Medición de la diferencia de presión, orificio instalado en la chimenea
Realizar el análisis de los gases de combustión mediante el analizador ORSAT, para ello primero se conecta la bureta unida al frasco de nivel con el analizador. Antes de realizar el muestreo debemos purgar el equipo a fin de desalojar los gases producto de ensayos anteriores. Una vez purgado, procedemos a colocar el extremo de la manguera a la parte inferior de la chimenea. Tomar nota de los porcentajes obtenidos de .
Fig. 7: Armado del Equipo (colocación de accesorios)
Fig. 8: Toma de Datos del analizador
7. Establecer una nueva presión de trabajo, luego de ello debemos esperar un lapso de 5 minutos a fin de alcanzar un régimen de funcionamiento y con ello lograr la estabilidad de los parámetros de estudio.
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CÁLCULOS Y RESULTADOS En esta experiencia se realizará un balance térmico del generador de vapor, así como un estudio de su rendimiento; para lo cual a continuación se calculará el calor útil y los diversos factores de pérdida de energía:
1) Calor útil (Q1):
( ) Donde:
Q1=calor útil (KJ/m 3) mv= masa de vapor (Kg) VGLP =volumen de combustible GLP (m 3) h2 = entalpia del vapor de agua (KJ/Kg) h1= entalpía del agua de ingreso (KJ/Kg)
Para la masa de vapor:
̇
Donde: = flujo másico (Kg/s) t = tiempo a considerar t = 5min = 300s
̇
De los datos obtenidos tenemos:
Entonces:
̇
= 726Lb/hora = 0.091475 Kg/s
= 0.091475x300 = 2704425 kg
Para el cálculo de
̇ :
Donde:
̇
= flujo volumétrico de GLP (m 3/s) =caída de presión en el orificio (m H 2O) = densidad del GLP (Kg/m 3)
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica – FIM Laboratorio de Ingeniería Mecánica II Considerando al GLP
= 2.038Kg/gal <> 538.383 Kg/m3 (de tabla) @15ºC = densidad del agua (Kg/m 3) = 998.2 Kg/m3 g = gravedad = 9.81m/s 2
A1=sección de la tubería = D1=2”=0.0508m A1=2.027x10-3m2
m
2
m
A2=sección del orificio = D2=1/4”=0.00635m A2=3.1669x10-5m2
2
Simplificando la ecuación inicial tenemos:
̇
̇
= 0.166624 mH2O Reemplazando los valores tenemos: 7.8047E(-5)m3/s
̇
Donde: VGLP = volumen de GLP (m3) t = tiempo a considerar (seg) t = 5min = 300s Entonces: VGLP = 7.8047E(-5)x300 = 0.0234141m 3
Para las entalpias: se obtienen de las tablas termodinámicas h1 = 146.66 KJ/Kg @ T = 36ºC
h1 = hf
h2 = 2766.4 KJ/Kg
h2 = hg
@ P = 110psi = 0.7584 MPa
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica – FIM Laboratorio de Ingeniería Mecánica II Ahora calculamos Q1:
()
= 3070466.7252 KJ/m 3
Q1 = 733368.3780 Kcal/m3
2) Calor perdido por los gases de escape (Q2):
( ) Donde:
Q2=calor perdido por los gases de escape (Kcal/m 3) Vgases =volumen de gases de escape (m 3) VGLP =volumen de combustible GLP (m 3) = 0.3997 Kcal/ m3. °K calor especifico de los gases de escape Tg= temperatura de gases de escape (°C) TBS=temperatura de bulbo seco
Para el cálculo de
̇
̇ :
Donde: = flujo volumétrico de los gases de escape (m 3/s)
A1=sección de la tubería = m2 D1=11.938”=0.303225 m A1=0.072214m2
A2=sección del orificio = m2 D2=7.886”=0.2003044 m A2=0.03151163m2 Simplificando la ecuación inicial tenemos:
̇ ̇ √ ̇ m3/s
= 0.41 inH2O = 0.10414 mH2O = 0.021578m3/s
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̇
Donde: Vgases = volumen de gases de escape (m 3) t = tiempo considerado (seg) t = 5min = 300s Vgases = 0.021578x300 = 6.4734m 3 Calculamos Q 2: Q2 =
()
= 27445.4764Kcal/m3
Q2 = 27445.4764Kcal/m3
3) Calor perdido por evaporación del agua de formación (Q3):
[()( )] Donde: Q3=calor perdido por evaporación del agua de formación (Kcal/m 3) H =cantidad de hidrogeno (%) H=0.1764 Tc =temperatura de combustible (°C) = 28ºC Tg= temperatura de gases de escape (°C) = 275ºC Q3 = 1.5876((100-28)+322.4069 + 0.3997(275 -100)) = 737.209 Kcal/m 3 Q3 = 737.209 Kcal/m3
4) Calor perdido por humedad del aire (Q4):
() ( ) Donde: Q4=calor perdido por humedad del aire (Kcal/m 3) =0.2664 Kcal/ m 3. °K TBS =temperatura de bulbo seco (°C) Tg= temperatura de gases de escape (°C) Vgases = volumen de gases de escape (m 3)
Q4 =
()
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= 18226.24349 Kcal/m 3
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Q4 = 18226.24349 Kcal/m3
5) Calor perdido por combustión incompleta (Q 5):
Dónde: Q5=calor perdido por combustión incompleta (Kcal/m 3) C= cantidad de carbono (%) C=0.8286
{
%O2 = 3.3 %CO2=11.7 CO = 319ppm %CO=0.0319
⟹
6) Calor perdido por fugas y radiación (Q 6): Debido a que este tipo de pérdida no se puede calcular directamente, lo haremos indirectamente de la siguiente forma:
Donde: Q6=calor perdido por fugas y radiación (Kcal/m 3) =sumatoria de los calores de perdida calculados anteriormente
∑
Considerando GLP: mezcla 60% propano y 40% butano, de tabla tenemos:
Q6 = 6375197.889 – (7333368.3780+27445.4764+737.209+18226.24349+5.7855) LABORATORIO N° 1: GENERADOR DE VAPOR
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica – FIM Laboratorio de Ingeniería Mecánica II Q6 = 5595414.79 kcal/m3
7) Cálculo de la eficiencia de la caldera:
∑ n = 1 – 5641829.51/
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= 11.5 %
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OBSERVACIONES
El combustible usado es GLP, para el laboratorio se consideró 60% propano y 40% butano, pero realmente no se sabe la composición exacta del GLP del laboratorio. La densidad del combustible se consideró 538.383 Kg/m3 @15ºC dato extraído de una diapositiva de OSINERMIN. Si bien el error no es mucho pero la temperatura del combustible al ingreso fue de 28ºC. No se puedo determinar en la experiencia la composición de los gases de escape, para el desarrollo del presente informe se consideró la composición de una experiencia pasada. Esto nos genera incertidumbre con respecto a los resultados obtenidos de la experiencia. Debido a que las condiciones de trabajo no fueron las mismas que en dicha experiencia pasada. La presión de vapor en la cual se trabajó si bien se consideró Pv = 110psi en la experiencia no se puedo llegar a uniformizar con ayuda de las valvular, pero se tomó un valor entre su rango de variación. En el cálculo de caudal de combustible, para el caudalímetro placa orificio, en la ecuación no se consideró el coeficiente de descarga C , el cual depende del número de Reynolds y (factor de obstrucción). Donde = D2 / D1
̇
Las pérdidas de calor que ocurren en el caldero se deben en mayor parte a las pérdidas de calor por radiación, convección y otros (30.2 % y 8.54 %), lo que nos indica el estado de uso y antigüedad del generador. Debido al poco tiempo, solo se pudo realizar solo una toma de datos, el cual nos obliga a depender de únicos valores para el cálculo del balance de la caldera. También así impidiéndonos comparar eficiencias para varias condiciones de la caldera.
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CLONCUCIONES
Observando el resultado obtenido, una eficiencia de 11%, nos lleva a pensar que se realizó una mala práctica al momento de la toma de datos, y también que la caldera tiene muchas pérdidas debido a su antigüedad. .
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BIBLIOGRAFÍA 1. http://www.calderasintesa.com/master.html 2. http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine 3. http://es.wikipedia.org/wiki/Gas_de_Camisea 4. http://www.coes.org.pe/wcoes/coes/estadistica/EstadisticaDiaria.aspx
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