Generadores de vapor

TERMODINAMICAUNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

TEMA: GENERADORES DE VAPOR

Los Generadores de vapor o Calderas son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible slido, lquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

DEFINICIN

En ellos se efecta le transferencia de calor (calor entregado Qe) desde la fuente caliente, constituida en este caso por los gases de combustin, al fluido de trabajo (vapor de agua).Son entonces, esencialmente intercambiadores de calor de superficie, por lo cual en ellos la transferencia de calor debe efectuarse con el mejor rendimiento posible.

Las calderas o generadores a vapor son equipos cuyo objetivo es:

objetivosLa utilizacin de los generadores de vapor ha sido de gran importancia, por ejemplo, en las centrales nucleares, las cuales utilizan como combustible al uranio y al plomo, por mencionar solo algunos.

Dentro del equipamiento de las centrales nucleares, podemos encontrar reactores, condensadores, turbinas, el generador elctrico y, lo que nos ocupa, el generador de vapor.En cuanto al generador de vapor, su funcin dentro de las centrales es bien clara.

CARACTERISTICASSe requiere evaporar agua y sobrecalentar el vapor obtenido mediante la energa liberada de una reaccin de combustin.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOEl generador de vapor funciona de la siguiente manera

Rendimiento de los generadores de vapor

En un generador de vapor, la potencia calorfica til es la energa por unidad de tiempo empleada en transformar el agua lquida de alimentacin en vapor. Se expresa como sigue:

Donde:mv: Caudal msicohv: Entalpa del vapor a la salidahw: Entalpa del agua lquida de alimentacin.

Rendimiento de un generador de vapor

La mayora de los generadores de vapor tienen un punto de funcionamiento ptimo en el cual el rendimiento es mximo. La potencia calorfica til, referida a estas condiciones ptimas de funcionamiento, es la potencia nominalLa potencia aportada por el combustible , es:

Donde: mc: Caudal msico de combustiblePCI: Poder calorfico inferior.

Rendimiento instantneo y rendimiento nominalEl rendimiento instantneo i establece la relacin entre la potencia calorfica til instantnea y la potencia calorfica aportada por el combustible. As pues:

Donde el subndice i hace referencia a valores instantneos. El rendimiento nominal tiene una definicin anloga, pero utilizando la potencia calorfica nominal de la caldera:

Rendimiento instantneo y rendimiento nominalCuando se desea determinar el consumo de combustible durante un perodo de tiempo determinado, no puede utilizarse el rendimiento instantneo ni el nominal, porque ninguno de los dos expresa el rendimiento medio de la caldera durante un perodo de tiempo. Para ello, se define el rendimiento estacional e:

Rendimiento estacional

Donde Qu es la energa til de la caldera, generalmente en kWh, durante el perodo de tiempo considerado y na, el nmero de horas de funcionamiento de la caldera durante el mismo perodo de tiempo.

Rendimiento estacional

La energa til de una caldera Qu, se puede expresar en funcin de sus prdidas. Consideremos un perodo de un ao y que la caldera suministra energa a una instalacin de calefaccin.

Donde:n: Horas anuales de funcionamiento de la instalacinna: Horas de funcionamiento de la caldera.

Obsrvese que la potencia de prdidas fijas se ha multiplicado por las horas de funcionamiento de la instalacin, puesto que prosiguen, al menos en parte, con el quemador del la caldera parado.

FACTOR DE VAPORIZACIN Y Vaporizacin equivalenteF.V. Es la relacin entre el calor absorbido por un kg. de agua de alimentacin en las condiciones a que trabaja la caldera a el calor absorbido por un kg. de agua a 100 C al vaporizarla a 100 C.Factor de vaporizacin (F.V)V.E. se define como los kg/h de agua a 100 C que se vaporizaran a 100 C si se hubiese absorbido la misma energa que en las condiciones a que trabaja la caldera.(kg / hora)VAPORIZACIN EQUIVALENTE (V.E.)CAPACIDAD O POTENICIA NOMINALLa capacidad de produccin o la potencia de una caldera puede expresarse en HP (HPcaldera), kG/hr (o lb/hr) de vapor producido, kcal/hr (Btu/hr) de calor absorbido y, para calderas de centrales trmicas la capacidad de generacin tan grande puede darse en megawatios.

Tambin puede darse la capacidad de una caldera en trminos de la superficie de calefaccin, en metros cuadrados o pies cuadrados. 18CAPACIDAD DE PRODUCCIN DE UNA CALDERAEn donde:Q= Produccin de la caldera en [kcal/hr]ms = Peso del vapor producido por la caldera en [kg/hr]h= Entalpia del vapor a la presin y calidad o temperatura a la salida de la caldera o generador de vapor en [kcal/kg]hf=entalpa del agua de alimentacin a la temperatura que llega dicha agua a la caldera en [kcal/kg]

Q= ms(h hf)19POTENCIA EN HP CALDERA Un HPcaldera equivale a la vaporizacin de 15.66 kg de agua por hora a vapor seco a 1000C a partir de una temperatura del agua de 1000C y la presin atmosfrica normal.Asi mismo un HPcaldera equivale a 8510 kcal/h o tambinUn HP caldera equivale 0.93m2 de superficie de calefaccin. Esto es el calor que se transfiere al agua a travs de una superficie de calefaccin de 0.93m2.

En donde ms,h y hf tienen el significado ya anotado anteriormente

HPcaldera = ms(h hf)/851020POTENCIA NOMINALTodas las calderas pequeas estn basadas en 0.93m2 de superficie de calefaccin por HPcaldera. Segn lo anterior todas las calderas que tengan la misma superficie de calefaccin tienen la misma potencia nominal. Donde: Cn= capacidad nominal S= Superficie de calefaccin (en m2 o pie2 ) K= 0.93 m2/H.Pcaldera o 10 pie2/H.PcalderaLa potencia nominal no expresa las limitaciones de capacidad de las calderas de hoy da, ya que la mayora de las calderas de las centrales trmicas pueden desarrollar del 400 al 600% de su capacidad nominal

Cn= S/K2122Balance trmico de un generador de vapor

22Balance trmico de un generador de vaporLa distribucin del calor resultante de la combustin del combustible en el hogar de una caldera se comprende mejor por medio del balance trmicocual consisteelaborar una tabla, con el calor absorbido por el generador de vapor y con las prdidas varias de calor ocurridas en la combustinEl calor absorbido por el generador de vapor, puede calcularse de la siguiente manera:H1= ms/mf * [(h hf)] H1 = calor absorbido por el agua y vapor por kg de combustible tal como se quema en kcal/kg

mf =peso total del combustible quemado en kg/h o m3/h

ms = peso del vapor producido por la caldera (o recalentado) kg/h

h= entalpa de 1 kg de vapor a la presin y titulo o temperatura observados en kcal/kg

hf= entalpa de 1 kg de agua de alimentacin a la entrada de la caldera en kcal/kgCalor absorbido por el generador de vaporLa humedad del combustible se vaporiza y abandona la caldera en forma de vapor sobrecalentado. La presin absoluta parcial del vapor en los gases de combustin es 0.07 kg/cm2 su temperatura es la de los gaseH2= mm(h h f) H2= prdidas calorficas en kcal /kg de combustible tal como se quema.

mm= peso de la humedad libre del combustible en kg/kg o % tal y como se quema

h= entalpa del vapor sobrecalentado a una presin absoluta de 0.07 kg/cm2 y temperatura de los gases en kcal/kg.

h= entalpa del liquido a la temperatura a que entra el combustible en el hogar en kcal/kg.Prdidas calorficas debidas a la humedad del combustible26Perdidas calorficas debidas al agua procedente de la combustin del hidrogenoEl hidrgeno del combustible al quemarse se transforma en agua, la que abandona la caldera en forma de vapor recalentado.H3=9HY(h hf) H3= prdidas calorficas en kcal /kg de combustible tal como se quema.

HY = peso del hidrgeno en kg/kg de combustible tal como se quema2627Perdidas calorficas debidas a la humedad del aire suministradoEstas perdidas calorficas son pequeasH4= mv * cm(tg ta) H4= prdidas calorficas en kcal /kg de combustible tal como se quema.

mv= % de saturacin del aire en forma decimal multiplicado por el peso del vapor de agua requerido para saturar 1kg de aire seco.cm = calor especifico medio del vapor (0.46 kcal/Kg. oC)tg = temperatura de los gases a la salida de la chimenea. en oCta = temperatura del aire a la entrada de la caldera en oCmaa = mdg - C1 + 8 (H (O/8) )27Esta prdida generalmente es pequea y se debe a que el aire es insuficiente para la combustin lo que da como resultado que parte del combustible forme monxido de carbonoH6=[CO/(CO2+ CO)] * 5689.6 * C1 H6= prdidas calorficas en kcal/kg de combustible tal como se quema

CO y CO2 = porcentajes en volumen determinados por anlisis de los gases de los humerales

C1 = peso del carbn realmente quemado por kilogramo de combustibleCalor perdido por combustible gaseoso sin quemarParte del carbono del combustible, ya sea sin quemar o parcialmente quemado, cae en el cenicero. Esta prdida depende del tipo de parrilla, velocidad de combustin, tamao y clase de carbn.H7=(8148mrcr)/mfH7 =prdidas calorficas en kcal/kg de combustible tal como se quemaCalor perdido por combustible sin consumir contenido en cenizas y residuosEstas prdidas se determinan restando el calor absorbido por la caldera (H1) y las prdidas calorficas del 2 al 7, de la potencia calorfica superior del combustible tal como se quema.

H8 = F (H1+H2 +H3 +H4 +H5+ H6+H7)

F = potencia calorfica superior del combustible tal como se quema kcal/kg o Kcal/ m330Perdidas calorficas debido al hidrogeno e hidrocarburos sin consumir, radiacin y otras prdidas 30ConceptoProcedimiento de clculokcal%Calor absorbido calderaH1Humedad CombustibleH2H2 del combustibleH3Humedad del aireH4Gases en chimeneaH5Combustin incompleta H6Combustible en cenizas y escoriaH7Perdidas por radiacin y variasH8 Balance trmico por kg de combustible quemado31APLICACIONES DE LOS GENERADORES DE VAPOR

El vapor es usado en un gran rango de industrias. La aplicaciones mas comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en fabricas y plantas, y turbinas impulsadas por vapor en plantas elctricas, pero el uso del vapor en la industria se extiende mas all de las antes mencionadas.Se utiliza para proporcionar energa trmica a los procesos de transformacin de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribucin adecuada y el control de su consumo, tendrn un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situacin se refleja en los costos de produccin del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa

Algunas de las aplicaciones tpicas del vapor para las industrias son:1. ESTERILIZACIN/CALENTAMIENtoVAPOR PARA CALENTAMIENTOLas aplicaciones de calentamiento para vapor a presin positiva se pueden encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas qumicas, y refineras .Una propiedad muy importante del vapor saturado es que su temperatura est directamente relacionada con su presin. Por tanto la temperatura de muchos de los procesos pueden controlarse con gran precisin regulando la presin del vapor.

Vapor de Presin PositivaEl vapor generalmente es producido y distribuido en una presin positiva. Esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 MPaG (0 psig) y a temperaturas mayores de 100C (212F).

35INTERCAMBIADOR DE CALOREn un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por transferencia de calor, el cual despus se convierte en condensado y es descargado a travs de una trampa de vapor.

El buen uso de vapor de alta calidad es un factor fundamental en la produccin eficiente de productos lcteos Para posibilitar el control preciso de la temperatura es esencial suministrar al proceso un vapor seco de alta calidad a la presin correcta. Cualquier introduccin de humedad o de gases incondensables en el vapor, reducir su temperatura y afectar negativamente a la velocidad de transferencia de calor. A su vez dificultar la precisin en el control y en algunos casos har imposible alcanzar las temperaturas de produccin deseada

Para qu se utiliza el vapor?La leche se procesa en una gran variedad de productos lcteos incluyendo la leche pasteurizada, queso, mantequilla y yogur.

http://www.spiraxsarco.com/es/pdfs/SB/gcm-10.pdf37 USOS DEL VAPOR SOBRECALENTADOVapor sobrecalentado entre 200 800C (392 - 1472F) a presin atmosfrica es particularmente fcil de manejar, y es usado en los hornos domsticos de vapor vistos hoy en dia en el mercado.

VAPOR AL VACOEl uso de vapor para el calentamiento a temperaturas por debajo de 100C (212F), tradicionalmente el rango de temperatura en el cual se utiliza agua caliente, ha crecido rpidamente en los ltimos aos.Cuando vapor saturado al vaco es utilizado en la misma forma que el vapor saturado a presin positiva, la temperatura del vapor puede ser cambiada rpidamente con solo ajustar la presin, haciendo posible el controlar la temperatura de manera mas precisa que las aplicaciones que usan agua caliente. Sin embargo, en conjunto con el equipo se debe utilizar una bomba de vaco, debido a que el solo reducir la presin no lo har por debajo de la presin atmosfrica.

Comparado con un sistema de calentamiento de agua caliente, este sistema ofrece rapidez, calentamiento balanceado. Se alcanza rpidamente la temperatura deseada sin ocasionar un desbalance en la temperatura en si.2. VAPOR PARA IMPULSO/MOVIMIENTOEl vapor se usa regularmente para propulsin (as como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generacin de electricidad en plantas termoelctricas.

GENERADOR DE TURBINA

Adems de la generacin de energa, otras aplicaciones tpicas de impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas, ej. compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc

OTRAS APLICACIONES

3. VAPOR COMO FLUIDO MOTRIZEl vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza motriz para mover flujos de liquido o gas en una tubera. Son usados para crear el vaco en equipos de proceso tales como las torres de destilacin que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Pueden ser utilizados para la remocin continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presin de vaco deseada en las turbinas de condensacin (vacoLOS EYECTORES

Vapor motriz de alta presin entra el eyector a travs de la tobera de entrada y es distribuido. Esto genera una zona de baja presin la cual arrastra aire del condensador de superficie.

444. VAPOR PARA ATOMIZACINLa atomizacin de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecnicamente un fluidoPor ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustin y minimizar la produccin de hidrocarbonos (holln).

5. VAPOR PARA LIMPIEZAEl vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de la industria es el uso del vapor en los sopladores de holln.El vapor liberado fuera de la tobera del soplador de holln desaloja la ceniza y suciedad seca, la cual caer en las tolvas o ser arrastrado y expulsado con los gases de combustin.

6. VAPOR PARA HIDRATACINEl vapor es usado para hidratar el proceso mientras se suministra calor al mismo tiempo.

Por ejemplo:el vapor es utilizado para la hidratacin en la produccin del papel, as que ese papel que se mueve en los rollos a gran velocidad no sufra rupturas microscpicas. MOLINO ACONDICIONADOR DE BOLITAS

La hidratacin del alimento lo suaviza y gelatiniza parcialmente el almidn contenido en los ingredientes, resultando en bolitas mas firmes.Continuamente los molinos que producen las bolitas de alimento para animales utilizan inyeccin-directa de vapor tanto para calentar como para proporcionar contenido de agua adicional al que es suministrado en la seccin de acondicionamiento del molino.Las bobinas HVAC, normalmente combinadas con humidificadores de vapor, son el equipo usado para el acondicionamiento del aire, para confort interno, preservacin de registros y libros, y de control de infecciones. Cuando se calienta el aire fro por las bobinas de vapor, la humedad relativa del aire gotea, y entonces deber ser ajustada a los niveles normales en adiciona una inyeccin controlada de vapor seco saturado en la lnea inferior del flujo de aire.

El vapor usado para humidificar el aire dentro de un conducto de aire antes de ser distribuido hacia otras reas de un edificio.7. VAPOR PARA HUMIDIFICACINEl vapor de agua generado por un caldero tiene mltiples aplicaciones, dependiendo de su presin, temperatura y caudal son:

1.- Calentamiento de maquinaria y equipos del proceso

2.-Generacin de fuerza motriz mecnica, por mquinas a vaporAPLICACIONES DEL VAPOR SATURADOAPLICACIONES DEL VAPOR SATURADO3.- Generacin de fuerza motriz mecnica por turbinas

4.- Generacin de energa elctrica por turbinas

5.- Otros usos menores

1 Calderas PirotubularesEstas calderas estn dotadas de tubos rectos, rodeados de agua y a travs de cuyo interior pasan los gases de la combustin.Los tubos se instalan en la parte inferior de un tambor sencillo o de un casco, debajo del nivel de agua.Se usan principalmente para la produccin de vapor de baja y mediana presin y cuando la demanda de vapor no es alta.TIPOS DE CALDERASCaldero pirotubular

Los gases de combustin circulan por dentro de los tubos, y el agua los rodea por fuera 2. Calderas Acuotubulares Se componen de tubos y domos. Los domos van colocados horizontalmente y estn interconectados mediante los tubos.

Los tubos contiene en su interior el vapor o el agua, mientras que el calor generado por los gases de la combustin es aplicado en la superficie externas de los mismos.Caldero acuatubularSon aquellos en los que el agua o vapor circula por dentro de los tubos. El esquema funcional es el siguiente:

Calidad del Agua en CalderasEl agua que se alimenta a una caldera debe estar libre de impurezas, sin embargo, esta exigencia se da en los casos de calderas que se operan a mediana y alta presin, siendo menor la calidad de impurezas permitida a mayor presin de trabajo.

La Asociacin Americana de Fabricantes de Calderas (ABMA) recomienda, por ejemplo, los siguientes parmetros de calidad de agua de alimentacin para calderas acuotubulares, ver tabla adjunta:

CALIDAD DE AGUA DE ALIMENTACION, RECOMENDADA POR ABMAPresin PSIGSlice ppmAlcalinidad total ppm CaCO3Dureza total0 -3001503500.300301 -450903000.300451- 600402500.200601- 750302000.200751 900201500.100901 100081000.0501001 -15002NSND1501 - 20001NSND

CALIDAD DE AGUA DE ALIMENTACION, RECOMENDADA POR ASME (American Society Mechanical Engineers)Presin PSIGSlice ppmAlcalinidad total ppm CaCO3Conductividad especifica Umho/cm0 -3001503503500301 -450903003000451- 600402502500601- 750302002000751 900201501500901 1000810010001001 -15002N.E.1501501 - 20001N.E.100