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CALDERAS DE VAPOR
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» Son equipos diseñados para transferir calor
producido por combustión,
mediante electricidad, o un fluido determinado, con la finalidad de producir agua
caliente, vapor saturado,vapor sobrecalentado. El cual
es generado a través de unatransferencia de calor a
presión constante.
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La alimentación del agua al caldero es previamente tratada en un
ablandador para luego pasar por un desairador .( Calderos pirotubulares )
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En estas calderas, el vapor o fuego circulan por dentro de los
tubos; cediendo de esta manera su calor al agua que los rodea
Están diseñados para flujos máximos de 27000 lb/h de vapor
saturado y sus presiones de trabajo no superan los 15 bar o 15.3
kg./cm 2
. 1 bar = 1,02 kg/cm2
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El agua circula por dentro de los tubos, captando el calor que
pasan por el exterior. Permiten generar grandes cantidades de
vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura
Se construyen para capacidades
mayores a 27000 lb/h. de vapor.
Permiten obtener vapor a
temperaturas de 350°C y presionesde 25 bar (25.5 kg./cm2 ). La
alimentación del agua al caldero es
previamente tratada en un
desmineralizador, para luego pasar por un desairador.
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1 psi = psia ( lbf /pul2 ; 1 kg./cm2 )
1 atm = 14,7 psia = 14,7 lb/plg2 1.013 bar = 14,7 psi
1 bar = 100 Kpa ; 1 Btu = 1.055 KJ ; 1 Kg = 2.2046 lb ;
1 in = 2.54 cm ; 1 m = 3.28 pie
La presión psia o psig. Ambas se miden en unidades de lbf/pul2
La diferencia está en el valor que toman:
psia: expresa la "presión absoluta
psig: mide la presión "relativa" o "manométrica".
Entonces, para convertir psig en psia, tenemos que sumarle
14,7 libras/pulgada cuadrada.
Que las siguientes unidades son equivalentes;
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http://www.youtube.com/watch?v=DfvIid
N3gQg
http://www.youtube.com/watch?v=DfvIidN3gQg
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Según la presión máxima de trabajo de las calderas, éstas se clasifican
en:
- De baja presión, hasta 2 kg/cm2
- De media presión, entre 2 y 10 kg/cm2
- De alta presión, sobre 10 kg/cm2
Se dice que una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera
cuando es capaz de producir 15.65 kg/hr ( 34.5 lb/hr) de vapor
saturado de 100 °C (212 °F) utilizando agua de alimentación a la misma
temperatura. 1 BHP = 8441,61 kcal/h.
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Tiene por objeto extraer los gases provenientes de la
combustión y proveer del aire necesario para dicho
proceso. La diferencia de presiones para evacuar los gases
se denomina tiro y puede ser forzado y/o inducido, o bien,natural
Esta circulación se establece gracias a la diferencia de
densidades entre los gases calientes y el aire frío.
Una buena temperatura en los gases de la chimenea estáalrededor de los 200 °C a 250 °C, no menos porque se
producen problemas de condensación en los humos y no
mayor porque se estaría perdiendo calor.
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Es la diferencia entre la presión de la caldera y la presión
atmosférica. El tiro es necesario para el funcionamiento
del hogar de una caldera, con el fin de poderle
suministrar el aire necesario para la combustión del
combustible y arrasar los gases quemados hacia el
exterior a través de la chimenea
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Tiro forzado: Se obtiene "soplando" aire en el interior de los hogares
herméticos debajo de las parrillas y hogares mecánicos.
Tiro inducido: Se consigue con un ventilador centrífugo colocado en los
humerales, entre la caldera y la chimenea.
Tiro natural: Es la diferencia de presión que se produce por efecto de unachimenea. Su valor depende de la altura de la boca de la
chimenea respecto al nivel del emparrillado del hogar y de la
diferencia media de temperatura entre la de los gases quemados
contenidos en la chimenea y la del aire exterior.
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= calor sensible + calor latente
El calor de vaporización es la cantidad de calor necesario para convertir
1 lt de agua a Temp. Ambiente, a la presión atmosférica en VAPOR SECOmayor a 100 °C. Esta transformación se lleva a efecto en dos etapas:
En la primera se entrega calor al líquido para elevar su temperatura
desde Temp. amb a 100 °C (temperatura de saturación), esta cantidad
de calor se conoce como calor sensible o entalpía del líquido.
En la segunda etapa, es necesario una cantidad de calor para convertirel Vapor(evaporación) en Vapor seco (temperatura de
Sobresaturación), cantidad de calor que se denomina calor latente o
entalpía de vaporización.
Se llama calor específico a la cantidad de calor necesario para calentar
1 kg. de una materia en 1 grado.
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Es el vapor que se produce cuando se calienta el agua a una presión
constante. Conociéndose la temperatura de ebullición del agua como
la temperatura de saturación.
Se dice que un vapor es sobresaturado cuando su temperatura es
superior a la temperatura de ebullición, aumentando paralelamentesu presión.
Debemos recordar que para cada valor de presión corresponde un
valor de temperatura de saturación
También llamado fogón, es el espacio destinado a quemar el
combustible
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El contenido de calor del agua o del vapor, se le conoce como entalpia,
representadas por h en tablas de vapor y formulas.
Entalpia del liquido saturado (hf ), es la cantidad de calor requerido
para elevar la temperatura de un Kilogramo de agua de 0 °C a la
temperatura de saturación. A esta propiedad se le llama también
calor sensible o calor del liquido.
Entalpia de evaporación (hfg), es la cantidad de calor requerido para
transformar un Kilogramo de agua a la temperatura de saturación,
en vapor seco y saturado a la misma temperatura. También se
llama calor latente vaporización.
Entalpia del Vapor Saturado (hg), es el calor requerido para cambiar
un kilogramo de agua a 0 °C en vapor seco y saturado; se obtiene
de la suma de las entalpias de liquido saturado y de evaporación.
También se conoce como calor total del vapor.
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Volum. de Vap. Saturado Entalpia de Vap. Saturado
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v = vf + x * vfg.
Vf : Volumen específico Liquido Saturado.
Vfg :Volumen especifico de vaporización = Volumen
especifico Vapor Saturado (Vg)
h = hf + x * hfg.
hf : Entalpia de Liquido Saturado.
hfg : Entalpia de vaporización
hg : Entalpia de Vapor Saturadoh = Entalpia de Vapor Húmedo
X = Calidad del Vapor.
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Complete la siguiente tabla para el agua
T
°C
P
kPa
h
kJ/kg
x
? 325 ? 0,4
160 ? 1682 ?
Solución.
De las Tablas termodinámicas del Vapor de agua Saturado para P = 325 Kpa;
se observa:
P,Kpa hf ,KJ/Kg
316,3 ----- 589,13
325 ----- X
415,4 ----- 610,63
X-610.63
589.13-X
325-415.4
316.3-325 Kg Kjh f /01.591
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P,Kpa hg,KJ/Kg
316,3 ----- 2733,9
325 ----- X415,4 ----- 2740,3
X-2740.3
2733.9-X
325-415.4
316.3-325
Kg Kjh g /46.2734
Calculamos la entalpia de Vapor Saturado. (hg)
Sabemos que la Entalpia del Vapor Saturado (hg), : hg = hf + hfg
hfg = hg - hf hfg = 2734.46 - 591.01 hfg =2143.45 Kj/Kg
Calculamos que la Entalpia del Vapor Húmedo (h), : h = hf + X * hfg
h = 591.01 + (0.4) * (2143.45)
para P = 325 Kpa; se observa: hf = 591.01 Kj/Kg ; hfg = 2143.45 Kj/Kg ; hg = 2746.46 Kj/Kg
h = 1448,39 KJ / Kg
Para verificar el resultado se comprueba
que h esta comprendido entre hf y hfg
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Para el enunciado (b).En las Tablas termodinámicas del Vapor de agua Saturado para T = 160 °C; se
observa:
Psat = 617.8 kPa ; vf = 0,0011020 m3 /kg. ; vfg = vg = 0.3071 m3 /kg
hf = 675.55 Kj/Kg ; hg = 2758.1 Kj/Kg
Sabemos que la Entalpia del Vapor Saturado (hg), : hg = hf + hfg
hfg = 2758.1 - 675.55 hfg =2082.55 Kj/Kg
Calculamos la Calidad del Vapor: (h) : h = hf + X * hfg
1682 = 675.55 + ( X ) * (2082.55)
X = 0.483 KJ / Kg
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.
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EQUIPOS N° Tipo de Vapor Presión (psia) Consumo (lb/hr)
Marmita 2 Saturado 80 4500
Autoclave1 Saturado
115 6200Intercambiador de Calor 3 Saturado 120 12500
Columna Destilación 2 Saturado 130 24600
TOTAL
47800
(Masa de vapor
Máximo)
1. Presión de Operación:
2. Presión de Diseño:
ñ = ó ∗ .
135 psia
CALDERO
Efici: 80 %
(Caída: 5 psi)
(Vap. Sat: 47800 lb/hr)
(Presión: 130 psia )PROCESO
. =
ñ.= . ∗ .
ñ. = psia
TotalCalor
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3. Capacidad del Caldero en HP HPFactor**Eficiencia
TotalCalorCapac
calorificoPoder
TotalCaloreCombustibl
4. Calor Total de operación del Caldero
5. Consumo de Combustible:
*Q Vapor m
6. Calor sensible del Combustible (Qc) Qc = * T°c
7. Calor del fluido de entrada (Qfe) = ∗
mc
Donde:
Cc = Calor específico del combustible [kcal]
Tc = Temperatura de precalentamiento del combustible (°C)
Donde:
hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg] ---- Btu/lb
Ca = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h)mc = Cantidad de combustible, quemado o consumido por hora, en peso Kg/hr o Lb/hr
Calor Latente de Vapor Saturado o Coeficiente de Transmisión de Calor:
TotalCalor
masaVapor
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)(** 0T T C mQ f pSensible
9. Calor por purgas (Qp)
Donde:
= Caudal de purgas en kg/h
hpurg = Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía de líquido para
la presión de generación de vapor.
mc = Cantidad de combustible, quemado o consumido por hora, en peso Kg/hr o Lb/hr
c
purgas
Purgas
m
hQ
*
10. Calor Sensible
8. Calor del fluido de salida (Qfs) = ∗
Donde:
hfs = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg) ---- Btu/lbPvapor = Producción de vapor (kg / h)
mc = Cantidad de combustible, quemado o consumido por hora, en peso Kg/hr o Lb/hr
m = Caudal másico del fluido Kg/seg
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11. Capacidad calórica : Q (kJ/ h) o Calor Latente
Es el consumo real de agua o producción de vapor (mv) y la energía
(entalpía) del agua a la entrada (liquido sub-enfriado y a la salida vapor
sobrecalentado), podemos decir que es la cantidad de energía
necesaria para vaporizar o condensar una cantidad de fluido.
Q = mV * (hg – hf ) = Q = mV * ( hfg )
Donde:Q = cantidad de calor que se está transmitiendo al fluido por hora en
Kcal. o Btu/h.
hV y hL = Son las Entalpias que se obtienen de las T .V .S.
Hfg = Entalpia de Vaporización.
La eficiencia del Caldero es llamada como:
eficiencia del Combustible/ Vapor
Efic.de Caldera =
Eficiencia de combustión - Pérdidas por radiación/convección - Pérdida por Purga
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n =
∗ −
∗
Donde:
» mV = Producción de vapor [kg/h]
» hg = Entalpía del vapor a la salida [kcal/kg]
» hf = Entalpía del fluido o agua a la entrada [kcal/kg]
» = Consumo de combustible quemado por hora en peso Kg/hr
» P.C.I = Poder Calorífico Inferior del combustible [kcal/Kg]
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eCombustibl el oporcionaqueCalor
elagua por UtilizadoCalor
istrdaSu Energia
aaprovechad Energiandio Efic Pr min.Re.
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La operación de purga consiste en extraer sólidos disueltos y en suspensión de
la caldera, ya que al vaporizarse el agua aumenta la concentración de estos
sólidos.
El agua evacuada en las purgas de las calderas de vapor está a elevada
temperatura y presión. El calor contenido en el agua de purgas se recupera de
la siguiente manera:
Donde:
Q = Calor recuperado del condensador o purga
n = Rendimiento de la caldera
PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible
= ñ
∗ .
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Siempre que exista una fuga de vapor se tendrá una pérdida energética. Para
poder realizar un ahorro energético en este aspecto habrá que localizar y eliminar las fugas de vapor existentes.
El caudal de vapor que sale por un orificio viene dado por la expresión:
= ∗ ∗ ( + )
Donde:
Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h]
d = Diámetro del orificio [mm]
P = Presión manométrica del vapor [kg/cm2]
K = Coeficiente de valor 0,35 - 0,45
= ∗
. ñ
Donde:
Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h]
H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año]
X = Producción específica de vapor [kg vapor]
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CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE
» Consiste en aplicar el principio de conservación de la masa y de la
energía a una Caldera o Generador de Vapor.» Su objetivo es cuantificar las energías (o flujos de calor) que
entran y salen del equipo, permitiendo evaluar la importancia
relativa de cada una de ellas.
» En
un
balance
térmico
se
debe
considerar
las
ganancias
y
perdidas
de
energía
como
7/25/2019 Calderas.. Sesion 2
http://slidepdf.com/reader/full/calderas-sesion-2 37/50
» En un balance térmico se debe considerar las ganancias y perdidas de energía, como
algunas perdidas de calor que no están vinculadas a una masa de flujo másico.
7/25/2019 Calderas.. Sesion 2
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1.- En una planta industrial opera una columna de destilación que consume vapor vivo a
razón de 340 000 Btu/hr y un reactor que consume 160 000 Btu/hr. El vapor proviene de
un caldero a 150 psia a la temperatura de 230 °F. La tubería que transporta el vapor es
de 2 pulgadas la cual tiene una longitud total de 150 pies y este dispone de aislamiento.
Determinar:a) El tipo de caldero; el tamaño (HP).
b) ¿Qué cantidad de masa de vapor por hora, necesitan la columna de destilación y el
reactor juntos?
Mg. LUIS R. LARREA COLCHADO
lrobertolc@crece.uss.edu.pe
Solución: Tubería: 2 pulg ; Longitud: 150 pies ; Eficiencia: 85
Caldero: Presión operación: 150 psia ; Temp: 230 F ; Calculamos el Calor Latente (λ)
de Vapor Saturado relacionado con la Presión de Operación del Caldero
P,psia λ, Btu/lb
145 ----- 865150 ----- X
155 ----- 861
x-861
865-X
150-155
145-150
lb Btu /863
x-861
865-X
5
5
7/25/2019 Calderas.. Sesion 2
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HPFactor**Eficiencia
TotalCalorHP
a) Calculamos los HP del caldero:
1
/5.34*863*0.85
Btu/hr 500000apacidad
HP
hr lb
lb
Btu
HP Capac 20.
El tipo de caldero que se recomienda es el Piro tubular
de Vapor Saturado
b) Calculamos la cantidad de masa de vapor por hora, que necesitan los equipos:
TotalCalor
masaVapor
/863
Btu/hr 500000asaVapor
lb Btu
hr lbmasaVapor /37.579
2 U ld d b l i d i l 34500 lb/h d b
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2.- Un caldero debe proveer en una planta industrial 34500 lb/hr de vapor para abastecer a
los sistemas de calentamiento y evaporación. La máxima presión que recibe uno de los
equipos es de 90 psia. Para cubrir estas necesidades el caldero opera holgadamente con
una eficiencia del 75 % , utilizando como combustible diesel 2. Determinar:
a) La capacidad del caldero en HP.
b) Si la combustión opera al 95 %, cuál será el Consumo de combustible en lb/hrc) Que cantidad de combustible necesitara el caldero, si usara como combustible carbón de
una capacidad calorífica de 14500 Btu/lb, operando al 95 %
d) Si se alimenta al caldero 26500 lb/hr de agua blanda a 200 °F y 8500 lb/hr de vapor
condensado que retorna de los intercambiadores de calor a 212 °F ¿Qué cantidad de
calor necesitaría el caldero para producir vapor operando al 100 % de eficiencia?
Solución: Eficiencia: 75 ;
Eficiencia
PresiónP maxoperac.
psia1200.75
90Poperac.
Calculamos la Presión de
Operación del Caldero:
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a) Calculamos la capacidad del Caldero en HP: Por tablas de vapor @ 120 psia
calculamos λV
P,psia λ, Btu/lb114.7 ----- 880
120 ----- X
125 ----- 875.4
x-875.4
880-X
120-125
114.7-120
lb Btu /878
Btu/hr 30291000 lb
Btu878*34500Q
hr
lb
Calculamos el Calor Total en Btu/hr:
HPFactor**Eficiencia
TotalCalorCapacidad
HP Capacidad 1333
34.5*878*0.75
30291000Capacidad
*Q Vapor m
Calculamos la Capacidad del Caldero:
) C l l l d b ibl lb/h
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b) Calculamos el consumo de combustible en lb/hr:
Poder calorífico del DIESEL 2 : 18500 Btu/lb ; también sabemos que el caldero
opera al 75 % y existe una combustión del 95 %
calorificoPoder
TotalCaloreCombustibl
75.0Btu/hr 30291000Q Btu/hr40388000Q
/18500
Btu/hr 40388000eCombustibl
lb Btu
lb/hr229895.0
13.2183Combust.
Poder calorífico del Carbón: 14500 Btu/lb/14500
Btu/hr 40388000eCombustibl
lb Btu
lb/hr2932
95.0
37.2785Combust.
c) Calculamos el consumo de Carbón combustible en lb/hr:
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Calculamos el Calor Latente del Condensado que retorna del Intercambiador a
212 °F ----- λV
: 970.3 Btu/lb
*mQ Latente
lb
Btu
hr
lbQ 3.970*8500 Btu/hr8247550Q
Calculamos la cantidad de calor que necesita el caldero
operando al 100 % de eficiencia:
Btu/hr26030950Q AguaelVaporizarPara
Btu/hr8247550Q
Btu/hr34278500Q
Un planta química tiene un caldero acuotubular de 150 psi de presión que produce 15 000
7/25/2019 Calderas.. Sesion 2
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Un planta química tiene un caldero acuotubular de 150 psi de presión que produce 15 000
lb/hr de vapor de agua. El agua de alimentación al caldero proviene del deaireador al cual
ingresan dos corrientes. Una de condensado que retorna al proceso y otra de agua de
reposición (make up) que viene del ablandador. Según análisis de laboratorio, el agua blanda
tiene 170 ppm de sólidos y se recomienda que en el caldero estos sólidos no se concentren a
cantidades que excedan el máximo permisible 3500 ppm de solidos. Para mantenerinalterables los sólidos concentrados en el caldero, se tiene que purgar hora por hora los
fondos del caldero. Determinar: Cuantas libras se purga por hora en el caldero.
Calculamos el flujo de alimentación:Balance de Solidos: F * X
F
=
P * X
P
F * 170 = P * 35003500
170* F P
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E l d d l d ld d d l
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EQUIPO Calor, Btu/hr Temp. °F Presión, psia
Marmitas 7 876 700 397 240
Calentadores 7 589 400 300 76
Evaporadores 10 185 000 212 14.7
En una planta de productos lácteos se requiere de un caldero para producir vapor saturado, con la
finalidad de alimentar vapor a los siguientes equipos:La caldera debe operar a 85 % de eficiencia. Su alimentación consiste de vapor condensado que
retorna de los calentadores y evaporadores, con pérdidas en las tuberí as de 5 % por fugas. El agua
de reposición proviene de un intercambiador iónico y es previamente calentado a 200 °F antes deingresar al caldero. El combustible que se usa es petróleo bunker #6. Determinar
• Capacidad del caldero en HP.
• Tipo de vapor y caldero que se necesita.
• Lb/hr de vapor que produce el caldero seleccionado.
•
Lb/hr de combustible que consume el caldero.
Calor Total: 25651100 Btu/hr
TotalCalora) Calculamos la capacidad del Caldero en HP:
7/25/2019 Calderas.. Sesion 2
http://slidepdf.com/reader/full/calderas-sesion-2 48/50
HPFactor**Eficiencia
TotalCalorHP
a) Calculamos la capacidad del Caldero en HP:
Por tablas de vapor @ 282.35 psia Calculamos λV
**0.85
25651100Capacidad
1
/5.34
HP
hr lb
Calculamos la Presión de Operación:
Eficiencia
PresiónP maxoperac.
0.85
240Poperac.
35.282Poperac.
psia
lb Btu /84.814
*84.814*0.85
25651100HP
1/5.34
hr Btu
HP hr lb
lb Btu
HP 48.1073Capacidad
b) Tipo de Caldero y Vapor que se necesita:
Se recomienda un caldero Acuotubular y de Vapor Saturado.
7/25/2019 Calderas.. Sesion 2
http://slidepdf.com/reader/full/calderas-sesion-2 49/50
c) Calculamos el Vapor que produce el caldero seleccionado en lb/hr :
calorificoPoder*Eficiencia
TotalCaloreCombustibl
lb/hr1611Combust.
*
TotalCalormasaVapor
eficiencia
85.0*5.828
25651100masa hr
Btu
Vapor
lb Btu
Por tablas de vapor @ 240 psia calculamos λV
lb Btu /5.828
/36425masaVapor hr lb
d) Calculamos el consumo de combustible del Caldero en lb/hr :
Poder calorífico del Petróleo Bunker: 151700 Btu/cal ; también sabemos que el
caldero opera al 85 %
*151700*0.85
25651100eCombustibl
098.8
1hr Btu
lb
cal
cal Btu
7/25/2019 Calderas.. Sesion 2
http://slidepdf.com/reader/full/calderas-sesion-2 50/50
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