PREOYECTO DESCRIPTIVO
“DISEÑO DE UN ECONOMIZADOR DE PARA UNA CALDERA PIROTUBULAR”.
Alumnos Amoros Morales, Javier Carranza Leon, Armando
Especialidad Tecnología Mecánica Eléctrica
Ciclo V
Docente Aguilar Narváez, Carlos
TRUJILLO – PERÚ 2017-I
1. Introducción a. Realidad problemática En la actualidad las calderas son usadas para diferentes industrias en las cuales se necesite generar vapor, tales como: centrales termoeléctricas, industria petroquímica, en hospitales, para la homogenización de materias primas, entre otros. Por tal motivo es que estas deben trabajar en óptimas condiciones en su máxima eficiencia para asegurar elevados estándares de calidad. Es por eso que el rendimiento o eficiencia en las calderas es un parámetro importante, la cual debe ser optimizada en lo posible, se define como rendimiento al porcentaje de calor contenido en el combustible que traspasa al vapor generado por la caldera, al quemar dicho combustible. Entre los factores que afectan al rendimiento tenemos: por combustión incompleta (9.80 %), por gases calientes de chimenea (14.00%), por cenizas o escorias (2.85%), por radiación y otras causas (3.35%), nos quedaría un 70% que es un rendimiento común en las calderas. Entre las condiciones que mejoran el rendimiento tenemos: optimizar la combustión y sistema de quemar, disminuyendo perdidas por radiación, utilizando economizadores y pre calentadores de aire, mantener limpio la caldera y los conductos de humo y realizar buenos tratamientos de agua. Para nuestro caso haremos los cálculos correspondientes para el diseño de un economizador, utilizaremos la caldera ubicada en el laboratorio de máquinas térmicas para el respectivo estudio b. Formulación del problema ¿En qué medida el diseño de un economizador aumentara el rendimiento de una caldera pirotubular? c. Objetivos i. Objetivo general
Diseño de un economizador para una caldera pirotubular
ii. Objetivos especificas
Calculo de las entalpías de los gases de combustión
Medición de los parámetros de operación de la caldera
Calculo de la temperatura final del agua de alimentación
Calculo del rendimiento de la caldera con y sin economizador
d. Justificación Este proyecto se justifica en los siguientes aspectos: Tecnológico Debido a la construcción de equipos que permitan optimizar los procesos industriales requeridos en la actualidad a la par con el avance de la tecnología Económico Porque se reduce el consumo de combustible, por lo tanto se invierte menos costo en la compra de combustibles Ecológico De esta manera se ahorra combustible, a su vez se reducen las emisiones de gases contaminantes a la atmosfera. 2. Recursos utilizados Materiales utilizados
Libros de termodinámica
Internet
Computadora portátil
Cuaderno de apuntes
Programas utilizados
Microsoft Word
Microsoft Excel
Autocad
3. Desarrollo del proyecto a. Marco teorico Caldera pirotubular
CARACTERISTICAS TECNICAS DE LA CALDERA PIROTUBULAR
MODELO PAOSO
Vertical 2
CAPACIDAD DIÁMETRO INTERIOR DEL CASCO
5 BHP 625 mm
QUEMADOR
WAYNE-HSG-400
CONTROL DE
ON – OFF
COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE
GLP
ALTURA SOBRE EL NIVEL
3 PULG
TUBOS LONGITUD DE TUBOS VOLTAJE PRINCIPAL
20 M.S.N.M
DEL MAR
DIÁMETRO DE LOS
767 mm 380 V
CAPACIDAD
172.5 Lb/h.
REGULACIÓN DE LA VÁLVULA DE SEGURIDAD,
125 PSI
PRESIÓN DE DISEÑO
150 PSI
PRESIÓN DE DISPARO
CALDERA PIROTUBULAR ITEM
CANTIDAD
1
1
NOMBRE
MARCA
MODELO
DESCRIPCIÓN
Control de
McDonell Serie
Señal on/off para
nivel
Miller
control de nivel de
150
caldera 2
1
Presostato
Honey
L404F
Presión: 0 – 150 psi
Well 3
1
Válvula de
Kunkle
seguridad 4
1
Válvula de
Seteada: 130 psi Crane
globo 5
1
Válvula de
7
1
1
Diámetro: 1 ¼”. Presión máx.: 150 psi
Crane
globo 6
Diámetro: ½”.
Diámetro: ¾”. Presión máx.: 150 psi
Termómetro
Reo
Rango: 100 a 500°C
de aguja
Temp
precisión: 5°C
Columna de
Permite visualizar la
nivel
cantidad de agua que contiene la caldera
8
1
Válvula de bola Apollo
Permite la expulsión de aire que está dentro de la caldera
9
1
Válvula de bola Spirax Sarco
Permite el paso y absorción de un fluido para ser limpiado o purificado (diámetro de paso: 1pulg.)
Procedimiento de generación de vapor ITEM ETAPAS
1
DESCRIPCIÓN DE LA ETAPA 1.
Válvulas de los tanques de GLP.
Antes de encender la
2.
Manómetros de la subestación GLP.
caldera realizar
3.
Manómetro de la entrada al quemador a una
inspección previa
4.
presión de 15 mbar.
antes del encendido
5.
Válvulas Salida y entrada del tanque de 6.
condensado. 7. Nivel de agua tanto de la caldera como del tanque 8. de condensado. 9. Válvula de vapor cerrado. 10. Manómetros bien calibrados y sin deficiencias. 1. Llenar el caldero con la bomba en automático. Cuando el agua alcance el nivel adecuado se 2.
apagará la bomba. Calcular el volumen y caudal de agua que ingresa
3. a la bomba. Prender el caldero (quemador) asegurándose Proceso para
2
4.
que
encender la caldera
esté abierta la válvula de servicio (salida de
de vapor piro tubular
vapor) 5. Presionando los botones del tablero de control. Cuando se aprecie que el vapor ya se está formando, cerrar la válvula de servicio para que el vapor levante presión con el calor.
6. Calentar hasta que la presión marque 125 psi 7. (manómetro). 1. Medir el volumen y flujo de agua con la ayuda del nivel del tanque de agua de alimentación de la siguiente manera, de esta manera determinaremos el consumo que requiere la caldera piro tubular. a. Cerrar la válvula de alimentación desde el equipo ablandador después de encender b. el caldero y cuando esté el tanque lleno o casi lleno. Marque el nivel (altura) de c. agua en el tanque. d. Cada vez que encienda la bomba de agua del caldero, verificar cuanto desciende e. el agua del tanque de agua consumido por el caldero. Análisis y medición
Calcular el tiempo de encendido de la
de los parámetros de
bomba en cada rango de presión del
trabajos durante el
caldero,
proceso de
3
f.
operación de la caldera
g. y con el volumen de agua consumida por el caldero, se puede calcular el caudal de h. la bomba. 2. Medimos el fuljo de combustible que consume la caldera con ayuda del Flujo metro de gas, no ayudara
a
determinar
la
cantidad
de
combustible requiera la caldera para que genere vapor.
Parámetros de operación medidos en laboratorio:
Tiempo total
Consumo de combustible
Suministro de agua
1.5 horas
3.22 m3 (19.56-16.34)
0.055 m3
b. Cálculos
Eficiencia de la caldera: 𝑛=
𝑚𝑣 ∗ (ℎ𝑠 − ℎ𝑎) 𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒 ∗ 𝑃𝐶𝐼
Donde: mv: masa del vapor (kg) mcble: masa del combustible (kg) hs: entalpia del vapor saturado (kj/kg) ha: entalpia del agua de alimentación (kj/kg) PCI: poder calorífico inferior (kj/kg) Masa de vapor: 𝑚𝑣 = 𝜌 ∗ 𝑉 𝑚𝑣 = 1000 ∗ 0.055 𝑚𝑣 = 55 𝑘𝑔
Donde: 𝜌: Densidad (kg/m3) V: Volumen (m3) Masa de combustible: 𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒 = 𝜌𝑐𝑏𝑙𝑒 ∗ 𝑉𝑐𝑏𝑙𝑒 𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒 = 1.8 ∗ 3.22 𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒 = 5.91 𝑘𝑔 Donde: 𝜌𝑐𝑏𝑙𝑒: Densidad del combustible (kg/m3) 𝑉𝑐𝑏𝑙𝑒: Volumen de combustible (m3) Entalpia de agua de alimentación: ℎ𝑎 = (𝑐𝑝 ∗ 𝑇) ℎ𝑎 = 4.18 ∗ 25 ℎ𝑎 = 104.5 𝑘𝑗/𝑘𝑔 Donde: 𝑚𝑣: Masa del vapor (kg) 𝑐𝑝: Poder calorífico del agua a presión atm (kj/Cº*kg) T: temperatura de agua de alimentación (cº)
Calculo de la eficiencia sin economizador: Parámetro
Valor /Unidad
Poder calorífico inferior del GLP (PCI)
43672.88 (kj/kg)
Entalpia del vapor saturado a presión de 2748.7 (kj/kg) operación
Masa del combustible
5.91 kg
Masa del vapor
55 kg
Entalpia de agua de alimentación
104.5 kj/kg
Rendimiento
56.3%
Entonces tenemos que: 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = (1 − 𝑛) ∗ 𝑃𝐶𝐼 ∗ 𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = (1 − 0.563) ∗ 5.91 ∗ 43672.88 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 112792.637 𝑘𝑗 Calculo de rendimiento con economizador: Para diseñar el economizador, debemos calcular la entalpia de los gases de combustión y hasta qué punto podemos aprovecharlos sin llegar al punto de rocío. Calculo de la entalpia de los gases de combustión:
A una temperatura de 270ºC tenemos: 3 ∗ 𝐶𝑂2 = 10259.3
4 ∗ 𝐻20 = 8454.6
18.8 ∗ 𝑁2 = 7191.6
𝑘𝑗 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑘𝑗 ∗ = 233.46 ∗ 3 = 700.38 𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2 44𝑔𝑟 𝐶𝑂2 𝑘𝑔
𝑘𝑗 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑘𝑗 ∗ = 469.7 ∗ 4 = 187𝑧𝑥𝑧8.8 𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2 18𝑔𝑟 𝐶𝑂2 𝑘𝑔
𝑘𝑗 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑘𝑗 ∗ = 259.84 ∗ 18.8 = 4884.992 𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2 28𝑔𝑟 𝐶𝑂2 𝑘𝑔
ℎ𝑔𝑐𝑒 = 700.38 + 1878.8 + 4884.992 = 7464.172 A una temperatura de 160ºC tenemos:
𝑘𝑗 𝑘𝑔
3 ∗ 𝐶𝑂2 = 5393.1
4 ∗ 𝐻20 = 4592.6
18.8 ∗ 𝑁2 = 3942.9
𝑘𝑗 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑘𝑗 ∗ = 122.57 ∗ 3 = 367.71 𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2 44𝑔𝑟 𝐶𝑂2 𝑘𝑔
𝑘𝑗 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑘𝑗 ∗ = 255.14 ∗ 4 = 1020.57 𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2 18𝑔𝑟 𝐶𝑂2 𝑘𝑔
𝑘𝑗 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑘𝑗 ∗ = 140.81 ∗ 18.8 = 2647.37 𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2 28𝑔𝑟 𝐶𝑂2 𝑘𝑔
ℎ𝑔𝑐𝑠 = 367.71 + 1020.57 + 2647.37 = 4035.66
𝑘𝑗 𝑘𝑔
Calculo de la temperatura final del agua de alimentación: 𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒 ∗ (ℎ𝑔𝑐𝑒 − ℎ𝑔𝑐𝑠) = 𝑚𝑣 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑡𝑓 − 𝑡𝑒) 𝑡𝑓 =
𝑡𝑓 =
𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒 ∗ (ℎ𝑔𝑐𝑒 − ℎ𝑔𝑐𝑠) + 𝑡𝑒 𝑚𝑣 ∗ 𝑐𝑝
5.91 ∗ (7464.172 − 4035.66) + 25 55 ∗ 4.18 𝑡𝑓 = 113.13º𝐶
Donde: 𝑚𝑐𝑏𝑙𝑒: Masa del combustible (kg) ℎ𝑔𝑐𝑒: Entalpía de los gases de entrada (kj/kg) ℎ𝑔𝑐𝑠: Entalpía de los gases de salida (kj/kg) 𝑡𝑓: Temperatura final del agua (Cº) 𝑡𝑒: Temperatura de entrada del agua (Cº) Rendimiento: Tenemos que: 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑢𝑡𝑖𝑙 + 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 55 ∗ (2748.7 − 4.18 ∗ 100) + 112792.637 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 139468.137 𝑘𝑗 Rendimiento con economizador: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
(𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑢𝑡𝑖𝑙) (𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎)
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
55 ∗ (2748.7 − 4.18) ∗ 100 = 85% 139468.137
Conclusiones
Se aumentó el rendimiento de la caldera hasta un 85% porciento
Se redujo el consumo de combustible y así mismo se reducen los gases invernaderos
Se calculó la entalpía de los gases de combustión a diferentes temperaturas
Se pueden aprovechar los gases de combustión sin sobrepasar el punto de rocío
Anexos:
