Sistemas Energeticos Borrador e g 2014-0 Nivelac

8/13/2019 Sistemas Energeticos Borrador e g 2014-0 Nivelac

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SISTEMAS ENERGETICOS (BORRADOR)

PREPARADO POR ING. ELI GUAYAN HUACCHA Pgina 1

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE ING MECANICA

CURSO: SISTEMAS ENERGETICOS

BORRADOR DE APUNTES DEL CURSO 1RA PARTE

PREPARADO POR ING ELI GUAYAN H

2014


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CENTRAL TERMICA A VAPOR

Introduccin: es un sistema energtico cuyo fin fundamental es la generacin de energa

elctrica para lo cual utiliza un fluido portador que es el agua y su vapor que sufre

transformaciones a lo largo de un ciclo y que cuenta con cuatro elementos bsicos: caldera,

turbina de vapor, condensador y las bombas.

a) CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

Esquema bsico de planta


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Procesos:

1-2: proceso de expansin del vapor en la 1era etapa de la turbina tericamente con

carcter isoentropico.

2-3: proceso de adicin de calor al vapor en la caldera (tericamente isobrico)

3-4:proceso de expansin del vapor en la 2da etapa de la turbina hasta la presin final del

trabajo terico del condensador (tericamente isoentropico)

4-5: proceso de condensacin (isobrico)

5-6:trabajo de bomba, tericamente isoentropico

Ef ic iencia trmica del ciclo: t


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NOTA: el trabajo de las bombas en una central trmica representa un 8% del trabajo total

de la turbina NOTA:

Se utiliza el ciclo rankine con recalentamiento intermedio a efecto de obtener un mayor

trabajo de ejecucin en las dos etapas de la turbina y tambin para controlar de manera

eficaz la humedad en los ltimos escalones de la turbina de vapor a un valor no > del 10 %

de humedad. Una concentracin > a 10% de humedad en los ltimos escalones de la

Temperatura trae como consecuencia erosion, desgaste de las paletas o alabes de la

turbina que origina un desbalance en el eje de la turbina.

b) Ciclo Rankine Con Regeneracin


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NOTA: En este caso el sistema con regeneracin consiste en calentar o precalentar el

agua de alimentacin a la caldera mediante extracciones sucesivas de vapor utilizando el

calor latente de dicho vapor (entalpia

). Esto permite utilizar una menor cantidad de

combustible en la caldera y un ahorro econmico.

Eficiencia trmica del ciclo: t

t =

t =


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CALENTADORES DE AGUA DE ALIMENTACION

I. ABIERTOS O DE MEZCLA O DE CONTACTO DIRECTO

Tenemos:

Pa= Pb = Pc

II.

Tenemos:

Pc = Pd;

Pa=Pb ;


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Calentador (II):

De la 1era Ley de la termodinmica

Despejando / ( )


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EFICIENCIA TERMICA DE LA CALDERA ()cald.

P.C = poder calorfico inferior del combustible ------ El poder calorfico del petrleo es 38000


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EFICIENCIA MECANICA DE LA TURBINA ()

Perdidas mecnicas [rozamiento, friccin]

EFICIENCIA DE EXPANSION ADIABATICA DE LA TURBINA ()


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1-2 = expansin adiabtica Irreversible (S2>S1)

1-2i = expansin adiabtica reversible (isoentropico) (S1=S2i)

Para turbina

eal

Para bomba

PARA CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO


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DIAGRAMA DE MOLLIER


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LA COMBUSTION

Es un proceso qumico de oxidacin brusca o violenta de los elementos de una sustancia de

caractersticas particulares denominada combustible, mediante el cual la energa qumica del

combustible se transforma en energa interna de los productos del proceso

AIRE ESTEQUIOMETRICO (Aire Terico)

Es la cantidad de aire que proporciona el oxgeno estrictamente necesario para la oxidacin

completa de los elementos oxidables del combustible.

RELACION AIRE - COMBUSTIBLE ( )Es el cociente entre la masa del aire y la masa de combustible utilizado en la combustin

RELACION COMBUSTIBLEAIRE

Combustin Ideal Con Aire

En el cual a manera de ejemplo para la combustin de un hidrocarburo de la forma , alreaccionar con el aire tenemos la siguiente ecuacin


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Para la combustin del propano con aire estequiometrico tenemos Por balance:

Carbono: 3 = d

Hidrogeno: 8= 2e

Oxigeno : 2b= 2d + e ; b=5

Nitrgeno : f=18.8

=

Combustin Ideal Con Exceso De Aire

En este caso para la combustin completa de combustible se necesita exceso de aire para tener

que todas las molculas del combustible reaccionan con las molculas del oxgeno tericamente

Para lo cual definimos algunos conceptos previos

AIRE REAL ()Es la cantidad de aire que ingresa en condiciones prcticas de operacin a un proceso de

combustin

EXCESO DE AIRE ()El cual est definido por la variacin


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PORCENTAJE DE AIRE TEORICO

Mezcla rica

Podemos decir que es la que contiene una cantidad de aire menor a la estequiometrica (aire en

defecto)

Mezcla pobre

Es aquella que contiene una cantidad de aire mayor que la estequiometrica o que es pobre en

combustible

COMBUSTION REAL CON EXCESO DE AIRE

En los procesos reales de combustin aun con exceso de aire la combustin no es

necesariamente completa ya que en los productos va aparecer CO monxido de carbono.

Es importante tratar de controlar el fenmeno de combustin para que la generacin de CO sea

mnima, xq es un gran contaminante y tambin porque si la combustin genera en lugar deCO se obtiene aproximadamente 3.4 veces mayor cantidad de energa por molcula.Una ecuacin caracterstica para un hidrocarburo de la forma es:

Ejm:

Un combustible cuyo anlisis gravimtrico es 82% de carbono, 14% de H 2y 4% de O2, se quema

con 150% de aceite teorico se tiene que el 80% del carbono reacciona formando CO2 y el 20%

reacciona formando CO Determine la relacin utilizada.En 100Kg de combustible tenemos 82 Kg de C , 14 Kg de H2y 4 Kg de O2 el nmero de moles de

cada uno es:

C = 82/12 = 6.83 Kmol


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H2 = 14/2 = 7.00 Kmol

O2= 4/32 = 0.13 Kmol

Paso (I): reaccin con aire estequiometrico (ideal)

6.83 C + 7 H2+0.13 O2 + ------> Por balance queda

6.83 C + 7 H2+0.13 O2 + ------> Paso (II):

Para la combustin real, el carbono se distribuye de la siguiente forma:

6.83x0.8 = 5.46 moles para el 6.83x0.2 = 1.37 CO

La ecuacin de combustin real con 150% de a t es:

[6.83C+7 H2+0.13 O2 ]+ ----> La relacin airecombustible

( )real = =21( )real = 21Kg aire/Kg combustible

ENTALPIA EN LA COMBUSTION

Para los elementos que sufren una reaccin qumica durante un proceso usamos la suposicin de

que la entalpia de todos los elementos es cero en el estado arbitrario de referencia de 25C y 1

bar de presin


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ENTALPIA DE FORMACION

La entalpia de formacin de un elemento o compuesto es con referencia a 25C y 1 bar de presin

y por convencin adoptamos que la entalpia de formacin de todos los elementos es cero. Y que

la entalpia de un compuesto en esas condiciones no es cero.

Ejm:

En condiciones de laboratorio a 25C y 1 bar de presin reacciona el oxgeno y el carbono y se

mantiene cte la presin y T, determine la entalpia de formacin del si se sabe que el calortransferido en la reaccin es -393522 KJ/Kmol (calor hacia el exterior)

Q= + ]-393522 =

ENTALPIA EN CUALQUIER ESTADO (h)

En la mayora de los casos, ni los reactivos ni los productos se encuentran en las condiciones de

referencia de 25C y 1 bar, por tal razn se debe considerar el cambio de propiedad entre el

estado de referencia y el estado real.

La entalpia en cualquier estado se calcula por:

h= hf + h

TEMPERATURA DE FLAMA O LLAMA ADIABATICA

Para un proceso de combustin que tiene lugar adiabticamente en el que no existe W,transmisin de calor o cambio alguno en las Ec y Ep, entonces toda la energa trmica elevara la

T de los productos y la T alcanzada ser la mxima y que se le conoce como T de flama

adiabtica.

Ejm:


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Se quema pentano gaseoso con 500 % de atdetermine la T de la llama adiabtica si los reactivos

se encuentran a 25 C y 1bar

Solucin

Haciendo la ec. Qumica tenemos

Estequiometrico:

Calculo de la entalpia de los reactivos

C5 H12+ 8x5[ O2+ 8x5x3.76[ N2 O2=0 y N2=0 por convenio

Hr = C5 H12 = -146440 KJ/Kmol de tabla!Para el caso de T adiabtica Q = 0, entonces de Q = Hp- Hr y suponemos que los productos estn

a una T = T

CO2 + 6[ H2O+ 150.4 [ N2 + 32 [ O2Por convenio: O2=0 y N2=0De tablas: CO2 +6 H2O+ N2+32 O2Se utiliza un mtodo iterativo el cual consiste en suponer una T y comprobar el resultado del lado

izquierdo hasta que coincida con el Hr calculado anteriormente.

Asumo: T = 500KDe tablas: CO2 +6 H2O+N2+32O2

Sale:


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T(K) HR(KJ/Kmol)

500 -225150.52

600 -1688332.6

700 -1049297.2

800 -426720.6

900 209487.4

Interpolando: 800 -426720,6T -146440900 209487,4

Sale T =844,1K

CALDERA DE VAPOR:

Es un equipo trmico y su tarea principal es la produccin de vapor, vapor sobrecalentado,

saturado y agua en ebullicin para lo cual utiliza un combustible que puede ser slido, liquido o

gaseoso.

El vapor es utilizado para la generacin de energa elctrica y en las plantas industriales el vapor

se utiliza para la produccin.

Tipos de Caldera:

De acuerdo a distintos criterios.

Por ubicacin de fluidos:

1) CALDERA ACUOTUBULAR.

Son las que se utilizangeneralmente en las centrales

termoelctricas y soportan

elevadas presiones de trabajo.


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2) CALDERA PIROTUBULAR.

Se utilizan en empresas

industriales donde el vapor

producido lo utiliza para

procesos.

Esquema:

Agrupamiento de los componentes de la caldera acuotubular


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Esquema de una instalacin de caldera acuotubular de vapor de agua:

Leyenda:

1) Caldera de vapor de agua.2) Ventilador de tiro forzado.

3) Bomba de agua de alimentacin

4) Ventilador de tiro inducido

5) Filtro elctrico

6) Domo superior

7) Quemador de combustible

8) Sobrecalentador de vapor

9) Economizador10) Precalentador de aire

11) Domo inferior


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ESQUEMA TECNOLOGICO DE UNA INSTALACION DE CALDERA

Leyenda

a) Canal de agua 8. recalentador de vapor

b) Vapor recalentado 9. Economizador de aguac) Canal de combustin 10. calentador de aire

d) Camino de circulacin de aire 11. Depsito de agua de reserva

e) Canal de los productos de combustin 12. Bomba de alimentacin

f) Camino de cenizas y escoria 13. Ventilador

1. Tolva de combustin 14. Contorno del edificio de la estacin

2. Molino de carbn 15. Deposito separador calderas

3. Ventilador de molino 16. Aspirado de humor

4. Quemador 17. Chimenea5. Contorno del hogar y de los productos de gas 18. Estacin de bomba(purga de ceniza)

del grupo de caldera

6. Pantallas del hogar

7. Colector


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DIAGRAMA DE VAPOR EN PLANTA DE FUERZA TRAPICHE Y CALDERAS

Leyenda

1. Turbogenerador N3

2. Turbogenerador N2

3. Vlvula Reductora

4. Caldera N03

5. Caldera N02

6. Vlvula reductora

7. Caldera N04

8. Bomba de alimentacin N02

9. Bomba de alimentacin N03

10. Ventilador tipo inducido

11. Ventilador tipo forzado

12. Desaereador

13. Turbina trapiche N01

14. Turbina Trapiche N02

15. Turbina trapiche N03

16. desobrecalentador


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PRODUCCIN HORARIA DE VAPOR.

Se refiere a la cantidad de Kg. De vapor que produce una caldera por hora y que depende de la

presin y la temperatura de sobrecalentamiento as como tambin de la temperatura con la que

ingresa el agua a la caldera y por eso al expresar la produccin horaria de vapor se deben de

mencionar estos datos.

Ejm: una caldera produce 2000kg de vapor saturado por hora a 20bar absoluto de presin y

alimentado con agua a 30

Produccin especifica de vapor o vaporizacin especifica; se refieres a los kg de vapor que

produce la caldera por hora y por m2de superficie de calefaccin.

En el ejemplo anterior si la caldera tiene 100m2 de superficie de calefaccin entonces su

produccin especifica de vapor seca 2000/100= 20kg de vapor por hora y por m 2


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PARMETROS TERMODINMICOS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN

El volumen total de oxgeno necesario para la combustin de 1 Kg de combustible lquido,

slido; o de 1m3de combustible gaseoso, restando la cantidad de oxgeno contenido en el

combustible:

[m3/KgC ; m3/ m3c ]El Volumen de aire terico para la combustin:Si consideramos que el aire contiene 21% de O2en volumen, tenemos:

El volumen de aire terico para la combustin completa de 1Kg de combustible.

Para combustible slido o lquido es:

[m3/KgC] Para combustible gaseoso es:(Combustin completa de 1 m3)

[m3/ m3C]Coeficiente de exceso aire ()En un horno la cantidad de aire real excede la cantidad de aire tericamente calculada, se sabe que:

Donde: : Volumen de aire realEl valor de depende del tipo de combustible y de la construccin del horno.= 1,01 Combustible gaseoso

> 1,5 Combustible lquido


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LOS PRODUCTOS RESULTANTES DE LA COMBUSTIN COMPLETA ()Estos contienen:

Productos de la combustin de carbono y azufre (,) , gases triatmicos. El nitrgeno del combustible, el nitrgeno contenido en la cantidad de aire necesario, ytambin el nitrgeno en el exceso de aire (); el nitrgeno en forma de gas entra en lacomposicin de gases diatmicos.

El vapor de agua, obtenido de la oxidacin del hidrgeno del combustible y de laevaporacin de la humedad del combustible, as como el vapor usado para la pulverizacindel petrleo para quemarlo.

Exceso de oxgeno no usado en la combustin.

Volumen de los gases de combustin hacia la chimenea ,en combustin completa en lacantidad terica de aire.

En oxgeno no usado no est presente en el volumen terico de los productos de la combustin.

[m3/KgC] , [m3/ m3C]Los volmenes de los de los gases

y

no dependen del coeficiente de exceso de aire.

El volumen de gases triatmicos ( y ) se obtienen con: [m3/KgC] , [m3/ m3C]Ahora de la solucin de las relaciones estequiomtricas, tenemos:

[m3/KgC] , [m3/ m3C]

[m3/KgC] , [m3/ m3C]

Remplazando:

Para combustible Lquido:

[m3/KgC] ,


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Para combustible gaseoso:

, [m3/ m3C]Volumen terico de Nitrgeno: Este volumen incluye el volumen de nitrgeno que entra al horno, con el volumen terico del aire y

es , y el nitrgeno contenido en el combustible.Para Combustible lquido: [m3/ KgC]

Para Combustible gaseoso: [m3

/ m

3

C]

El vapor que se produce cuando se quema combustible debido a la combustin del hidrgeno, ala evaporacin de la humedad del combustible y a la humedad del aire que se utiliza en lacombustin, es:

Para combustible lquido:

[m3/KgC]

Para combustible gaseoso:

[ ] [m3/ m3C]Donde: w : Contenido de humedad: Contenido de humedad en el combustible gaseoso

Volumen Real de vapor de agua

para > 1

[m3/KgC] , [m3/ m3C]El Volumen de Gases de combustin hacia la chimenea

[m3/KgC] , [m3/ m3C]


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El volumen real de los gases diatmicos () en funcin de (Considerando un exceso de aire compuesto por gases biatmicos de O2y N2)

[m3/KgC] , [m3/ m3C]Fracciones Volumtricas de los gases triatmicos y de vapor.

Suma de fracciones (

):

ENTALPA DEL AIRE Y DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN

Entalpa del volumen de aire terico:

[KJ/Kgc] , [KJ/m3c] Entalpa del volumen terico de los productos de la combustin:

[KJ/Kgc] , [KJ/m

3c]

Entalpa para la cantidad de exceso de aire:

Entalpa de los productos de combustin con coeficiente de exceso de aire mayor a 1 ( )

[KJ/Kgc] , [KJ/m3c]

COMPOSICIN DE LOS COMBUSTIBLES

COMBUSTOLEO ( Por Kg de masa)

ELEMENTO S MBOLO %Carbono C 87,7

Hidrgeno H 12


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Nitrgeno N 0,4

Azufre S 3,8

Cenizas Z 0,1

GAS NATURAL (% en volumen)

ELEMENTO S MBOLO %Metano CH4 91,0992

Etano C2H6 8,0

Propano C3H8 0,9

cido Sulfrico H2S 0,0004

Dixido de carbono CO2 0,0004


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CLCULO TRMINO DEL HOGAR (HORNO) DE UNA

CALDERA ACUOTUBULAR

Nos sirve para encontrar la temperatura de los productos de la combustin en la salida del hogarde la caldera . Para lo cual tomamos una ecuacin terica experimental para determinar la

temperatura relativa a la salida del horno u hogar de la caldera.

Ecuacin de Gurvich.

Tambin se puede hallar de la siguiente manera:

Donde: : Temperatura Relativa adimensional de los productos de la combustin a la

salida del horno del hogar. : Temperatura de los gases de la combustin a la salida del hogar.[K]

: Temperatura adiabtica de los productos de la combustin de gases. [K]. : Nmero de BoltzmanM : Parmetro para la posicin relativa del ncleo de la flama.

: Emisividad del horno (Hogar de la caldera)

En la prctica:

Parmetro M : Para horno u hogares con combustin en el interior de la cmara, elparmetro M est determinado por la relacin entre posicin relativa de las Tmaxde la f lama

y la altura del horno.

En la prctica: M 0,5


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Donde: = Posicin relativa de la temperatura mximaPara un slo nivel de Quemador:

|Para varios niveles de Quemadores:

Donde:

: Cantidad de quemadores por nivel

: Altura para cada nivel. : Flujo msico El Nmero de Boltzman ( ): Caracteriza la transferencia de calor por radiacin.

Donde: : Gasto de combustible en la caldera, con 100% de carga. [Kg/s]: Calor especfico promedio de los gases de combustin para 1 Kgde combustible lquido.: Valor promedio del coeficiente de eficiencia trmica de las paredesdel horno.

A : rea de las paredes del horno. [m2] : Coeficiente de conservacin de calor en el horno.Coeficiente de conservacin del calor en el horno de Caldera()

HORNO

L quem

L Horno


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Este coeficiente interviene en las prdidas de calor por radiacin y por conservacin de la

caldera con el medio ambiente y esta relacionada con la eficiencia trmica de la caldera

para conservar la energa en los ductos de la caldera.

Donde: : Eficiencia trmica de la caldera (Datos del fabricante)

Ejm. 87% : Representa la prdida de calor por enfriamiento externo de lacaldera. (94 < < 98)

Poder calorfico Inferior (PCI) del combustible.

Para combustible lquido:

[KJ/Kg] Para Gas natural:

[KJ/m3]Los elementos estn dados en porcentajes de masas.

w = Humedad del combustible

Nota: Estas frmulas tienen un error mximo del 5% .

Calor que aporta el petrleo(

)

[KJ/Kg]Adems:

Ecuacin lineal para hallar (Cp) comb


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Donde:: Calor especfico del combustible : Temperatura de ingreso del combustibleAdems sabemos:

Calor suministrado al atomizador por el combustible. ( )

[KJ/Kg]

GASTO DE COMBUSTIBLE EN LA CALDERA( )De la eficiencia trmica

Ahora:

[KJ/Kg]Donde:

= Calor que ha podido absorber el vapor de agua

Adems:

: Es el calor total por unidad de tiempo que absorbe la caldera por los tubospara la generacin de vapor.

: Es el calor total por unidad de masa puesto a disposicin de la caldera osuministrado al hogar de la caldera por el combustible, aire y otros factores.[KJ/Kg]

q1

q1

q1

q2


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: Eficiencia trmica de la caldera cuyo valor se obtiene o bien pordato del fabricante o por los llamados mtodos directo oindirecto.

Calor Absorbido en la Caldera (Generador De Vapor) [KJ/Kg]

Donde:

: Flujo msico de vapor sobrecalentado. [KJ/s] : Flujo msico de purga (cantidad de lquido que se extrae) [KJ/s] : Entalpa especfica el vapor sobrecalentado. [KJ/Kg] : Entalpa especfica del agua de alimentacin a la entrada de la

caldera. [KJ/Kg]

: Entalpa especfica en el Domo (con la presin del Domo)

Calor Total Disponible (Suministrado al hogar de la caldera)

[KJ/Kg]Donde:

: Poder calorfico inferior del combustible. [KJ/Kg]

: Calor que aporta el petrleo porque es sobrecalentado. [KJ/Kg]

: Calor suministrado al atomizar el combustible. [KJ/Kg]Calor Especfico Promedio de los productos de la combustin en el horno

()


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[KJ/KgK]Es importante notar que las T son expresadas en grados Kelvin (K)

Para un Kg de combustible se hace el anlisis en el rango de temperatura donde la T de

salida o a la salida del horno ( ) hasta la temperatura adiabtica ()(Temperatura terica de combustin)

La temperatura de los gases de combustin a la salida del horno es una incgnita

( ) y que mediante un proceso iteractivo vamos a poder determinarlo, paralo cual suponemos una temperatura de entre 1000C a 1100C y luego se alcula susentalpas, en la segunda iteracin se cambia la la temperatura de los gases por la

temperatura de combustin calentada.

Donde:: Calor til en el horno u hogar de la caldera. [KJ/Kg]: Temperatura adiabtica se determina en base a los clculos de laspropiedades de los productos de la combustin y que en forma prctica latemperatura adiabtica es funcin de la

y es equivalente al valor de

la entalpa de los productos de la combustin en el medio de la flama.

[KJ/Kg]Calor til en el horno. ()

[KJ/Kg]

Donde:: Prdida de calor por combustin qumica incompleta (%). [KJ/Kg]


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: Prdida de calor por combustin mecnica incompleta (%). [KJ/Kg] : Es el calor que ingresa en el hogar de la caldera por el aire caliente.Es decir: : Coeficiente de exceso de aireCoeficiente promedio de Eficiencia Trmica de las paredes del horno. ()Es un coeficiente de disminucin de la transferencia de calor.

Donde:: Factor de forma de radiacin : Coeficiente de ensuciamiento para la captacin de calor por incrustaciones

en las paredes de agua.

Adems:

{ Si las prdidas del horno estn rodeadas por pantallas con diferentes factores de

forma o las pantallas cubren una parte de la superficie de las paredes del horno.

Ejemplo:

x (tablas)

Entonces:

s d

e


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Donde:

El calor absorbido por las superficies es una medida del plano continuo equivalente al calor

absorbido de los tubos no contemplados (sucios)

Superficie radiante El rea de las paredes del horno ( ) se encuentra a una distancia entre los ejes delos tubos externos de las pantallas (b) y su largo ( l ).

[m2]En no se incluyen las partes no protegidas por tubos ni las reas del quemador.

El factor:

LA EMISIVIDAD DEL HORNO ()

Donde: : Es la emisividad dela flama (llama) Donde:


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: Es el coeficiente de la parte del horno que ocupa la flama luminosa (losgases que iluminan) depende de la tensin trmica del volumen del horno [KW/m3]

a) Para hornos Abiertos: independiente de la carga de la caldera.

Si: KW/m3 m = 0,1 (Gas Natural)m = 0,55 (Combustible lquido)

b) Si: KW/m3 m = 0,6 (Gas Natural)m = 1 (Combustible lquido)

c) Si: KW/m3 m = ( Por interpolacin)

: Emisividad de los gases de la parte brillante de la flama : Emisividad de los gases que no iluminan

Donde:

P : Presin de los gases en el horno. [MPa]S : Es el espesor efectivo de volumen en los gases que iluminan.

[m]Coeficiente de Debilitamiento (Disminucin) de los Rayos en el horno( )

* +


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Luego:

Si luego de esto la temperatura varia mayor a 5C entonces se tiene nuevamente que iterar

hasta encontrar la temperatura correcta. Temp.

* +

T(C) 100

200

..

.

900

1000

1100


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CLCULO TRMINO DEL SOBRECALENTADOR

DE VAPOR

Esquema de una tubo del sobrecalentador (vista frontal)

Adems debemos de tener en cuenta que:

De la ecuacin de calor y energa:

: Flujo msico de gases de combustin [Kg/s]

: Flujo msico de gases de vapor [Kg/s] : Entalpa del gas de combustin a la entrada del sobrecalentador. [KJ/Kg] : Entalpa del gas de combustin a la salida del sobrecalentador. [KJ/Kg] : Entalpa del vapor sobrecalentado en la salida del sobrecalentador. [KJ/Kg] : Entalpa especfica del domo (Po y TD) [KJ/Kg]De ah se despeja la a la salida del sobrecalentador para conocer latemperatura .ECUACIN DE TRANSFERENCIA DE CALOR. : Coeficiente global o total de transferencia de calor en el sobrecalentador de vapor.

dC

TVS

salent

Tdomo

sGas

combustin

=


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: Superficie total para la transferencia de calor : Diferencia media logartmica de temperatura.

TEMPERATURA PROMEDIO DE LOS GASES DE COMBUSTIN

Consideramos:

= TEMPERATURA PROMEDIO Y PRESIN PROMEDIO DEL VAPOR SOBRECALENTADO.

REA DE LA SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HOGAR.

* + : Permetro de la Turbina (P = de)n : Nmero de elementos (n 56)

TVS

Tdomo

T1

T2

X

T


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REA LIBRE PARA EL PASO DE LOS GASES DE COMBUSTIN

GEOMETRA DEL SOBRECALENTADOR

Ejemplo:

4 pasos56 tubos/paso

de= 50,8 mm.

COEFICIENTE DE HILERAS EN EL BANCO DE TUBOS: (CZ)

Donde:: Nmero de hileras de tubos ( )

COEFICIENTE DE FORMA DE BANCO DE TUBOS (CS)

*

+

Paso Longitudinal S1: Paso nominal S2 :

S2=114 mm

S1=102 mm de


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VELOCIDAD PROMEDIO DE LOS GASES DE COMBUSTIN EN EL SOBRECALENTADOR

: Es el volumen de los productos de combustin para un Kg de combustible ycon un coeficiente de exceso de aire ( = 1,2) en condiciones de referencia0C y un bar de presin.

VELOCIDAD PROMEDIO DEL VAPOR EN EL SOBRECALENTADOR

De:

Velocidad =

Ejemplo: PROPIEDADES TERMOFSICAS DEL GAS DE COMBUSTIN

Tablas:

VALORES DE CORRECCIN: , ,

di


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Estos valores dependen del valor relativo del vapor de agua y de Ejemplo: COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

[W/m2.K]Donde:

: Coeficiente de transferencia de calor externo (desde los gases de combustin

hacia la superficie de las paredes de los tubos). (Con el mecanismo de convecciny radiacin).

: Coeficiente de transferencia de calor externo (desde la superficie de las paredesde los tubos hacia el vapor de agua). (Con el mecanismo principal de conveccin).

: Es un coeficiente de efectividad trmica del sobrecalentador. Ejemplo: 86%COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR EXTERIOR

Donde:

: Coeficiente de uso de la superficie del sobrecalentador.Ejemplo: (Nuevo y moderno)

COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIN

(Banco de tubos con arreglo rectangular)


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COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACCIN

Donde: : Es un factor de correccin que tiene en cuenta la influencia del volumen de

las fases calientes antes del sobrecalentador de vapor.

: Es un coeficiente que tiene en cuenta el tipo de combustible que se quema ypasa petrleo Bunker.

: Es la temperatura de los gases de combustin en el volumen en la salida delhorno u hogar de la caldera y que es anterior al sobrecalentador de vapor.(

)

: Es la distancia que se encuentra entre la pared del horno hasta la primerahilera del sobrecalentador.

: Es la distancia entre ejes de los tubos del sobrecalentador (entre la primerahilera y la ltima hilera)

: Es el coeficiente de transferencia de calor por radiacin.Por ejemplo:

Tenemos: (

)

: Es la emisividad de la superficie de los tubos del sobrecalentador en uso.

(contaminado o por suciedad).Para superficies generadoras de vapor seasume. : Es la emisividad promedio de los productos de la combustin contemperatura promedio en el sobrecalentador.

: Es la temperatura de la superficie de los tubos con uso con cierta suciedado contaminado del sobrecalentador.


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[K]

EMISIVIDAD: () Donde:

: Espesor efectivo del volumen de sus gases de combustin en elsobrecalentador.

P : Presin promedio de los gases de combustin a travs del sobrecalentador.

k : Coeficiente de disminucin por radiacin de gases triatmicos.

En la ecuacin de balance:

y:

Se compara y si no coinciden hay que iterar otra vex.

vap

or

Tcontam


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CALCULO TERMICO ECONOMIZADOR

Esquema

ECONOMIZADOR (equipo de recuperacin de energa)

Es un equipo trmico (intercambiador de calor) cuyo propsito es precalentar o calentar el agua de

ingreso a la caldera, utilizando los gases de combustin de la caldera y con ello tratar de reducir el

consumo de combustible y elevar la eficiencia global de la planta trmica.

TUBO ECONOMIZADOR

COEFCIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR (U)


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U = coeficiente global de transferencia de calor W/m2C (BTU/lb.pie2F)

A = rea total de transf. de calor (externa), m2

TL n= diferencia media logartmica de temperatura. (C)Si la resistencia del metal = 0 . el coef. Global:

Do= dimetro externo

Di = Dimetro interno

Para el economizador, en este caso: si resistencia trmica del metal = 0

hg= coeficiente conectivo de los gases de combustin

hagua= coeficiente convectivo del agua

Gas de combustin (por radiac y conveccin) Agua (por conveccin)

Para gas de combustin: . Humos economizadorDonde: Flujo msico de los gases de combustin (Kg/s, Lb/hr)Transferencia de calor total

Diferencia Media Logartmica De Temperatura


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La transf. De calor por conveccin y radiacin intertubular

Q radiac (economiz)= La transferencia de calor por radiacin desde la cavidad precedente hacia el

economizador.

La Temperatura Media De La Pelcula de Humos

Velocidad Msica De Humos (Gg)

Donde:

Ag = rea libre (mnima) para flujo de humos .El rea por donde pasan los humos entre los

espacios entre tubos (G=Kg/m2.s)


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Para gas de combustin (externo)

Numero De Reynolds (Re)

= factor de propiedades de gases de combustin (humos)KRE= f( T pelic gases, d tubo ext)

El Coeficiente de Transferencia de Calor de La Pelcula de Humos (Por Conveccin)

Donde:

Fpp= f (humedad de humos, Temp pelcula) o de configuracin, para flujo cruzado.Fa= f( disposicin de Tubos, Relacin espaciam/dimetro, Re) (Para N filas atravesadas)

Factor De Efectividad (Fs)

Donde:

A: superficie de caldeo del economizador (pie2

)Ap: rea transversal al 100 %

Coeficiente De Transferencia Para Radiacin En Humos


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Donde:= coeficiente de transf. de calor por radiacinK= factor de combustible

L= longitud media de radiacin

Perdida De Tiro

Con:

Donde: N = n de tubos

)

CAIDA DE PRESION EN EL AGUA

A) VELOCIDAD MASICA DE FLUJO (G agua)

B) NUMERO DE REYNOLDS (Re)

La cada de presin en el economizador: es la suma por rozamiento, por entrada y salida y de

codos.

= Del diagrama de Moody


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L = lond de un tubo

= perdidas en codos

CALENTADOR DE AIRE

Esquema:

Tubo De Calentador De Aire

Calentador de aire:


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Es un equipo trmico instalado en la caldera acuotubular con el propsito de precalentar al aire

fresco que ingresa a la caldera en escencia es un intercambiador de calor gas gas y tambin

un equipo recuperador de calor

GASES DE COMBUSTIN

Aire fresco Donde:

Diferencia media logaritmica de temperatura

La elevacin de temp. del aire fresco


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TEMPERATURA DE PELCULA

Humos:

Aire fresco:

Velocidad mnima de Humos (Gg)

El coeficiente de transf. Calor (de gases de combustible), hg

El coeficiente de transf. Calor por radiacin Velocidad msica de aire (Gaire)

Numero de Reynolds (Re) El coeficiente de transf. Calor (aire) para flujo cruzado El coeficiente global de transferencia calor global La temperatura de los gases de combustion (Tg2)


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Perdida de tiro (gases de combustion)

2Cada de presin en el aire fresco

2

.. Tablas


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SISTEMA DE ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE LQUIDO

ASPECTOS GENERALES:

Este sistema tiene por finalidad llevar el combustible lquido desde el pto de descarga que puede ser el

ferrocarril, barcos, buques hasta la sala de calderas o en otros casos hasta los correspondientes depsitos

de almacenamiento con la finalidad de mantener una determinada reserva de combustible depende de las

condiciones locales de emplazamiento del consumo de las calderas de los hornos diarios de servicio de la

cantidad a transportar.

El combustible lquido que se utiliza en las centrales termoelctricos es el petrleo industrial n6 llamado

bunker-c

ESQUEMA DE BLOQUES

En la estacin de recepcin se controla la cantidad de combustible que ingresa por los camiones tanque

aproximadamente entre 6000 y 8000 galones por ejemplo, los tanques de la planta son de mayor capacidad

y tienen elementos para su control como respiradores, orificios por inspeccin de ingreso de operario

tambin cuenta con un dique, precalentadores, filtros etc. As mismo cuenta contometros de flujo

calibrados a la T de transporte de petrleo, es decir, a 40 a 45 C.

En el almacenamiento en planta los tanques utilizan de manera similar teniendo los accesorios y equipos

correspondientes


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ESQUEMA:

En la estacin de precalentamiento y bombeo a las calderas de petrleo debe alcanzar una T aprox. 90 95

C y una presin de atomizacin adecuada. Generalmente se utiliza el vapor de la planta para el

precalentamiento, siendo precalentado al inicio con intercambiadores elctricos haciendo recircular el

petrleo bunker hasta que se alcance la T indicada.


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1. recepcin

2. tanque de almacenamiento

3. estacin de bombeo a planta

4. tanque de almacn en planta

5. alimentacin de quemadores

6. sistema de calentamiento

a. accionamiento a turbina

b. accionamiento a motor elctrico


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CARACTERISTICAS TERMICAS DEL PETROLEO BUNKER-C

NORMA___________________________________ASTM D 396 80

GRADO____________________________________5

GRAVEDAD API_____________________________16.3

PUNTO DE INFLAMAC. (F)_____________________235(112.7C)

VISCOSIDAD FUROL a 122 F____________________270

CENIZA % PESO______________________________0.08

PUNTO DE FLUIDEZ, F_________________________60 (15.55C)

AZUFRE % PESO______________________________1.0

PODER CALORIFICO SUP BTU/Lb_________________18855

AGUA Y SEDIMENTOS % VOL.___________________0.10

GRAVEDAD ESPECIFICA________________________0.9674

LITROS / GALON AMERICANO____________________7.973

TEMPERATURA DE BOMBEO MINIMA (F) __________112 (44.4C)

TEMPERATURA DE ATOMIZACION:

TIRO FORZADO_________________________210-225, (98-107C)

TIRO NATURAL_________________________225-250, (107-121C)


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REPASO DE TURBOMAQUINAS

1. PERDIDAS PRIMARIAS

EC. DARCY

N Reynolds (Re):

2. PERDIDAS SECUNDARIAS

K.La altura del sistema


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PROBLEMAS QUE OCASIONAN LAS IMPUREZAS DEL AGUA EN EL INTERVALO DE LA

CALDERA

En general tenemos:

La incrustacin

La corrosin Los arrastres

La fragilidad caustica

LA INCRUSTACION:

Esta es causada por las sales de calcio y magnesio las cuales se depositan en las paredes de los

tubos ( interior) cuando se produce la vaporizacin, las sales se pegan en las paredes de los tubos

y se forma una pelcula de incrustaciones, esto ocurre porque los componentes de calcio y

magnesio son relativamente insolubles en el agua y tienden a precipitar todo ello provoca que

estas incrustaciones reducen la eficiencia de la caldera ya sea porque forman una resistencia

trmica adicional, con recalentamiento de los tubos que puede originar su falla, reduce el rea de

paso por el flujo del agua.

De transf. Calor:


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MEDIOS PARA EVITAR O REDUCIR LA FORMACION DE INCRUSTACIONES

a. Removiendo las sales de dureza del agua que entran al caldero, es decir, ablandando en

los lmites adecuados el agua antes de su ingreso a la caldera planta de tratamiento del

agua.

b. Aadiendo reactivos al agua para provocar que los slidos formen en sedimento blando

que puede ser removido por el desfogue del caldero.

a estos reactivos que producen la sedimentacin se les llama filoculantes su costo es

elevado y su dosificacin va estar en funcin de la calidad del agua de alimentacin a la

caldera y por eso es necesario controlar el ablandamiento del agua en la entrada de la

caldera.

MEDIOS PARA REMOVER O ELIMINAR LA PELICULA GRUESA DE

INCRUSTACIONES

a. Por medio de reactivos qumicos especiales que remueven las sales dosificndolas para

evitar o disminuir la incrustacin.

b. Por medios mecnicos en donde se emplea una roseta, que tiene accionamiento elctrico

y la limpieza se efecta tubo por tubo, es una media eliminacin lento.

c. Mediante ultrasonido donde se introduce en el interior del tubo de la caldera un emisor de

ondas, el cual origina resquebramiento320 de las incrustaciones.

LA CORROSION

Se produce generalmente cuando el agua es acida (ph


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LOS ARRASTRES

Cuando el vapor lleva solidos se dice que se ha producido un arrastre y estas partculas

slidas de depositan en distintos elementos de la caldera como el sobrecalentador de

vapor, las tuberas y en las paletas de la las turbinas (alabes), esto es nocivo porque el

vapor cuando entra a gran velocidad a la velocidad a la turbina, las partculas impactan en

las paletas o alabes y las van desgastando por sectores, lo cual origina un desbalanceo en

el eje de la turbina, ocurre vibracin, por eso es necesario filtrar los arrastres para evitar la

erosin y controlar las espumas originadas por las mezclas con el aceite que vienen de las

bombas de alimentacin de la caldera para esto se emplea antiespumantes y se realizan

drenajes continuos de slidos en las tuberas de alimentacin de vapor sobrecalentado.

FRAGILIDAD CAUSTICA

En las partculas de los domos o colectores de vapor existe una alta concentracin de

esfuerzo y que si se emplea demasiada soda caustica esta se empieza a acumular en esta

zona de alta concentracin de esfuerzo ingresando y produciendo una serie de rajaduras

que ocasionan filtracin


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CIRCUITO DEL AGUA EN UNA CENTRAL TERMICA A VAPOR

CIRCUITO DE ENFRIAMIENTO PARA SERVICIOS AUXILIARES

1) turbo bomba de agua de alimentacin

______ agua fra- - - - - agua caliente

2) turbina reductora de v.t.t y para v.t.f y chumaceras de ventilador

3) compresor de aire enfriador intermedio ( 2 etapas)

4) bomba vertical

5) torre de enfriamiento


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CIRCUITO DE ENFRIAMIENTO EN EL TURBOGENERADOR

1) turbina2) Condensador

3) Enfriador de cojinetes

4) Enfriador de aire del generador

5) Torre de enfriamiento

______ agua fra


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- - - - - agua caliente

Mtodo de clculo de las prdidas de carga en tuberas

Mtodo analtico

Perdida de carga debida a la friccin= relacin entre la longitud y dimetro de tubera

V = velocidad del fluido por la tubera

a , b = factores empricos

Darcyweisbach

V= velocidad media del flujo

g= aceleracin de la gravedad

f= factor de friccin de Darcy

HazenWilliams

En funcin del radio hidrulico

En funcin del dimetro

= radio hidrulico = D/4


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V = velocidad de agua en el tubo (m/s)

Q = caudal o flujo volumtrico (m3/s)

D = dimetro interior (m)

S = [pendienteperdida de carga por unidad de longitud de conducto] (m/m)

C = coeficiente. Depende de rugosidad de tubo.

Tipo de tubo CAcero soldado 90Hierro fundido 100Fibra cemento 128Polietileno de alta densidad 150Ecuacin de White Colebrook

R = Reynolds

= rugosidad relativaf = factor de rugosidad

El abastecimiento de agua para una central trmica puede provenir de un rio, de un lago, depozos, etc y mientras el agua extrada tenga menor cantidad de impurezas ser de mejor calidad

De las impurezas o elementos extraos que tare el agua podemos mencionar en general:

Sales minerales en solucin (bicarbonato,sulfato, cloruros nitratos en forma de

calcio magnesio, sodio y potasio )

Slidos en suspensin o turbidez que puede contener partculas de arena algunos

xidos de hierro, arcilla greda, gases disuelto como el oxgeno, dixido de carbono,

nitrgeno, metano, etc.

Materia orgnica microorganismos de origen vegetal y animal aceites, productos de

aguas servidas.

Las impurezas del agua que pueden ser admitidos en ella y por ende su calidad

dependen de ciertos parmetros como son

a. El uso al cual est destinada


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b. De la naturaleza y la cantidad de impurezas presentes

c. Las tolerancias varan de acuerdo a cada caso particular de impuestos.

PROCESOS DE CAPTACION DEL AGUA

SISTEMA DE ALIMENACION DE AGUA

UNIDADES DE ANALISIS DEL AGUA

Se utiliza el ppm parte por milln GPG granos por galon americano # de granos de una sustancia de un galn americano


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1 libra = 700 gramos ; 1 galn americano = 3.78 litros

AGUA DURA:

Se debe fundamentalmente al contenido del Ca y Mg y entonces se habla dureza de calcio ydureza de magnesio

DUREZA TOTAL:

Es la suma de la dureza del Ca y Mg y usualmente se mide en ppm

El agua de alimentacin para las calderas se obtiene por varios procedimientos como:

a. Desmineralizacinb. Destilacin

IMPUREZAS COMUNES EN EL AGUA Y POSIBLE EFECTOS CUANDO ES USADO DIRECTAMENTE EN

CALDEROS

CONSTITUYENTE COMPOSICIO

N QUIMICA

PRINCIPAL ORIGEN DE LAS

SUSTANCIAS CONSTITUYENTES

POSIBLES EFECTOS CUANDO ESTAN

PRESENTE EN EL AGUA DEL CALDERO

BICARBONATO

DE CALCIOCa(HCO3)2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION

CARBONATO DE

CALCIOCaCO3 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION

CLORURO DE

CALCIOCaCL2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION

SULFATO DE

CALCIO

CaSO4 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION Y CORROSION

ACIDO

CARBONICO

H2CO3

ABSORCION DE LA

ATMOSFERA,DEPOSITOS

MINERALES

CORROSION

ACIDO LIBREHCL,H2SO4 DEPOSITOS INDUSTRIALES CORROSION

BICARBONATO

DE MAGNESIOMg(HCO3)2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION

CARBONATO DE

MAGNESIOMgCO3 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION

CLORURO DE

MAGNESIOMgCl2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION Y CORROSION

ACEITES Y

GRASASDESPERDICIOS INDUSTRIALES CORROSION DEPOSITO Y ESPUMA

MATERIA ORGANICA Y

ALCANTRILLADO

DESPERDICIOS DOMESTICOS E

INDUSTRIALES

CORROSION DEPOSITO Y ESPUMA


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OXIGENO O2 DE LA ATMOSFERA CORROSION

SILICE SiO2 DEPOSITOS MINERALES INCRUSTACION

BICARBONATO

DE SODIONaHCO3 DEPOSITOS MINERALES ESPUMA Y FRAGILIDAD

CARBONATO DESODIO

Na2CO3 DEPOSITOS MINERALES ESPUMA Y FRAGILIDAD

CLORURO DE

SODIO

NaCl DESPERDICIOS INDUSTRIALES y

DEPOSITOS MINERALES

INERTE, PERO PUEDE SER CORROSIVO

BAJO CIERTA CONDICIONES

SOLIDOS SUSPENDIDOSDESPERDICIOS INDUSTRIALES ESPUMA, LODO O INCRSUTACIONES

VELOCIDADES RECOMENDADAS Y CAIDAS DE PRESION MAXIMA PERMISIBLE PARA LIQUIDOS

FLUIDOSVELOCIDAD

RECOMENDADA (ft/s)CAIDA DE PRESION MAXIMA PERMISIBLE

(Psi/100 ft)

succion de bombas

SERVICIOS GENERALES 4 a 10 2

LIQUIDO SATURADO 1 a 4 0.05 a 0.25

LIQUIDO SUBENFRIADO 1 a 6 0.2 a 1

AGUA DE ENFRIAMIENTO 1 a 8 0.2 a 1

LIQUIDOS CORROSIVOS Y/O

EROSIVOS 3 a 6

descarga de bombasSERVICIOS GENERALES 5 a 10

LIQUIDO SATURADO 5 a 15

LIQUIDO SUBENFRIADO 5 a 15

AGUA DE ENFRIAMIENTO 5 a 15

AGUA DE ALIMENTACION 8 a 15

LIQUIDOS CORROSIVOS Y/O

EROSIVOS 3 a 6

DESCARGA DE AGUA E

HIDROCARBUROS 2

DESCARGA DE ALATA PRESION

700psig 3 a 4

Documents

Sistemas Energeticos Borrador e g 2014-0 Nivelac