Generación de Vapor

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y PESQUERA
UNIDAD CURRICULAR: LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA
PRÁCTICA
GENERADORES DE VAPOR
PROFESORES
ING. GELYS GUANIPA (Coord. Termo-Aplicada)
ING. ELIER GARCIA
ING. JOSMERY SANCHEZ
ING. JOAN RODRIGUEZ
1
GENERADORES DE VAPOR
INTRODUCCIÓN
Las unidades generadoras de vapor son aparatos utilizados para colocar a disponibilidad de un
fluido el calor de un combustible, y todos los elementos necesarios para transferir al agua que se
calienta tanta energía como sea comercialmente factible. Los generadores de vapor propiamente
dicho están constituidos por una caldera y el hogar, puede además incluir otros elementos de
absorción de calor como un sobrecalentador, economizador o un precalentador de aire, igualmente
puede incluir equipos auxiliares o de instrumentación y control para ayudar al correcto
funcionamiento de la unidad.
La caldera constituye un recipiente cerrado que genera vapor de agua a presiones superiores a la
atmosférica, absorbiendo el calor que desarrolla la combustión en el hogar. La temperatura del
líquido aumenta hasta alcanzar la de vaporización y se mantiene constante mientras el líquido se
convierte en vapor, una vez alcanzada la temperatura de ebullición a la presión de operación
continua el suministro de calor y se inicia la vaporización sin variación de temperatura. Mientras
exista liquido por evaporar, la mezcla de vapor y liquido se llama vapor húmedo, si el calor
suministrado es tal que la temperatura del vapor es la temperatura de vaporización se denomina
vapor saturado seco. El calor suministrado para realizar esta transformación se conoce como calor
de vaporización.
RESUMEN
SISTEMA DE TRATAMIENTO DEL AGUA: Las aguas duras son generalmente consideradas
todas aquellas aguas que requieren considerables cantidades de jabón para producir espuma y
que también producen incrustaciones en tuberías de agua. Las durezas del agua varían
considerablemente de un lugar a otro. Por lo que es imperante la remoción de la dureza con el
objetivo de prevenir la corrosión, prevenir incrustaciones, arrastre y de esta forma producir en la
caldera vapor de alta calidad. A través de régimen de purgas, recuperación de condensado,
descalcificadores, desmineralizadores, reguladores de PH, coagulantes.
Tanques Potabilizadores: Reservorios de agua que permiten potabilizar el agua de proceso.
Tanque de Zeolita: La Zeolita es un Silicato de Sodio y Aluminio, la cual se encarga de eliminar
el Calcio y el Magnesio presente en el agua por medio de un filtro.
2
Tanque de Poliamida: la poliamida es una resina de intercambio iónico que se obtiene por
reacción de condensación de un polímero, este polímero actúa como un aislante evitando que los
protones del agua se adhieran a los electrones presentes en la superficie de las tuberías.
Bomba dosificadora de Poliamida: se encarga de pulverizar la poliamida.
Desaireador: Se encarga de eliminar los gases corrosivos (oxigeno, dióxido de carbono, etc.) a
través del calentamiento del agua.
SISTEMAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN: Las principales fuentes de abastecimiento de agua
son las aguas de afluentes naturales, reservorios o aguas de desecho, en el caso del agua de
alimentación para las calderas se utilizan aguas tratadas ya que el proceso es más delicado.
Componentes:
Tanque de alimentación: Se encarga de almacenar el agua tratada que será suministrada a la
caldera.
Bomba de alimentación: Se encarga de succionar el agua tratada del tanque de alimentación
y suministrarla a la caldera.
SISTEMA DE COMBUSTIBLE: Su función es suministrar el combustible al quemador que a su vez
producirá la flama en la caldera que transformará el agua tratada en vapor. Además de utilizar
combustibles líquidos algunos equipos también utilizan gas natural o mezclas de gases como en el
caso del flexigas en las empresas petroleras. Componentes:
Tanque de combustible: es un recipiente cilíndrico donde se almacena el combustible que
será suministrado por la bomba al quemador.
Bomba de combustible: Se encarga de generar un cabezal de presión para bombear el
combustible desde el tanque de combustible hasta el quemador.
Quemador (Gasóleo doble flama): permiten realizar la mezcla para la reacción de combustión
entre el combustible y el carburante (aire-combustible) gracias a una regulación precisa de las
proporciones de ambos, para luego introducir la flama al hogar de la caldera.
SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR: Su función es la de realizar el cambio de fase a una
presión y temperatura constante, calentando o hirviendo el agua hasta evaporar el fluido.
Caldera (Generador tipo 6MT-45,
Presión
máxima
de
2
trabajo 12 kg/cm , vapor 450
kg/hr, Potencia 270000 Kcal/hr): Contenedor metálico que sirve para calentar o hervir hasta
evaporar un fluido, obteniendo finalmente vapor de agua. Para otras generalidades consultar con
Profesores y Técnicos del Laboratorio.
Tambor de vapor: Contenedor donde se almacena el vapor para luego ser suministrado al
sobrecalentador.
3
Sobrecalentador: Es un dispositivo intercambiador de calor en donde el calor transferido al
vapor incrementa su temperatura, reduciendo las mezclas de vapor de agua en las últimas etapas
de la turbina incrementando así su eficiencia interna.
Chimenea: se utiliza para producir cierto tiro o circulación de los gases calientes a la entrada de
los tubos de la caldera. El tiro es la forma como circulan los gases calientes dentro de la caldera.
OBJETIVO GENERAL: Determinar el gradiente de calentamiento y rendimiento térmico de un
generador de vapor.
EQUIPOS A UTILIZAR: Generador de vapor de la planta térmica de la UNEFM.
DATOS REQUERIDOS:
Variación de la temperatura del generador de vapor en intervalos de tiempo.
Desnivel del agua de alimentación.
Desnivel del combustible.
Presión de entrada y salida del generador de vapor.
Temperatura de entrada y salida del generador de vapor.
PROCEDIMIENTOS: El profesor explicará el procedimiento de la práctica y suministrará la
información necesaria. El alumno deberá anotar la temperatura y presión del fluido de trabajo a la
entrada del generador de vapor. La práctica se inicia una vez que el técnico coloque en marcha el
quemador de la unidad generadora de vapor.
El alumno tomará mediciones de la temperatura cada dos o tres minutos, hasta que se logre la
estabilización de la temperatura y presión, luego se aislará el tanque de combustible y el tanque de
agua de alimentación (se cierran las entradas de alimentación de ambos tanques), para proceder a
medir el desnivel o gasto en las mirillas en un tiempo determinado.
DATOS SUMINISTRADOS:
Densidad del agua para diversas temperaturas de entrada del agua de alimentación.
DENSIDAD DEL AGUA
3
TEMPERATURA °C DENSIDAD Lbm/pie
27
62.216
38
61.996
49
61.709
Presión de estabilización (Esta presión debe ser un valor por debajo de la presión máxima
2
de operación de la caldera que es de 12 Kgf/cm , por lo general se suministran valores
2
entre 7 y 10 Kgf/cm )
Densidad relativa del Gasoil (δ=0.86).
4
Poder calorífico inferior (PCI=18000 BTU/Lbm).
Perímetro del tanque de agua (Pta=157 cm).
Perímetro del tanque de combustible (Ptc=110 cm).
FÓRMULAS A EMPLEAR:
Presión absoluta
PABS
PMAN
PATM
Donde:
PABS : Presión absoluta.
PMAN : Presión manométrica.
PATM : Presión atmosférica.
Diámetro del tanque de agua y del tanque de combustible
PTA
(
D)
→
D
( PTA / )
PTC
(
D)
→
D
( PTC / )
Donde:
PTA : Perímetro del tanque de agua (Perímetro del tanque de agua 157 cm).
PTC : Perímetro del tanque de combustible (Perímetro del tanque combustible 110 cm).
D : Diámetro del tanque.
Flujo másico del agua
m A
mA
t
mA
V EA
V EA
0.75 V A
VA
D2
4
AGUA
H PROM
Donde:
m A : Flujo másico de agua.
m A : Masa de agua.
t : Tiempo.
5
VEA : Volumen efectivo de agua.
: Densidad del agua a la temperatura de entrada.
AGUA
V A : Volumen aparente.
D : Diámetro del tanque de agua.
H PROM : Gasto o desnivel promedio del tanque de agua.
Flujo másico del Gasoil.
C :
m
mC
t
mC
VCOMB
COMB
DC2
4
VCOMB
H PROMC
COMB
GASOIL
AGUA
COMB
GASOIL
AGUA
Donde:
m C : Flujo másico de combustible.
mC : Masa de combustible.
t : Tiempo.
VCOMB : Volumen del combustible.
COMB
: Densidad del combustible.
DC : Diámetro del tanque de combustible.
H PROMC : Gasto o desnivel promedio del tanque de combustible.
GASOIL
: Densidad relativa del Gasoil (δ=0.86).
Rendimiento del generador de vapor (
):
Calor absorbido por el agua / calor de los gases calientes de combustión
Q AA
Q GC
→
m A (hSAL hENT )
m C PCI
6
Donde:
: Rendimiento del generador de vapor.
Q AA : Calor absorbido por el agua.
Q GC : Calor de los gases calientes de combustión.
m A : Flujo másico del agua.
hSAL : Entalpía a la temperatura de salida.
hENT : Entalpía a la temperatura de entrada.
m C : Flujo másico del combustible.
PCI : Poder calorífico inferior (PCI = 18000 BTU/lbm).
Gradiente de calentamiento:
GT
T
t
GT
TF
tF
TI
tI
Donde:
GT : Gradiente de calentamiento.
TF : Temperatura final.
TI : Temperatura inicial.
t F : Tiempo final.
t I : Tiempo inicial.
TRABAJO A REALIZAR: El estudiante realizará un informe técnico contentivo de lo siguiente:
Gráfico de la variación de temperatura (eje Y) en función del tiempo (eje X).
Determinar el gradiente de calentamiento.
Determinar el flujo másico de agua y combustible a través de los desniveles de las mirillas
y los perímetros de los tanques.
Determinar el rendimiento térmico del generador de vapor.
Representar el proceso de generación de vapor en un diagrama de la temperatura en
función de la entropía (T-S)
7
El informe técnico (reporte) de acuerdo al formato Paper* (doble columna) suministrado por el
Profesor, y deberá ser de las siguientes partes: Título de la Práctica, Resumen, Introducción, Datos
Experimentales, Resultados (en tablas, gráficos y/o ecuaciones de ajuste), Análisis de Resultados,
Conclusiones y Recomendaciones, Referencias Bibliográficas, Nomenclatura y Apéndices.
EVALUACIÓN:
Evaluación Pre laboratorio……………………….. 20%
Informe…………………………………….………….50%
Examen post-laboratorio…………………………...30%
BIBLIOGRAFÍA:
Frederick Morse. Centrales Eléctricas. Editorial Continental.
Marcelo Mesny. Generación de Vapor. Ediciones Marymar.
Irving Granet. Termodinámica. PHH. Prentice May. Tercera Edición.
Avellone. Manual del Ingeniero Mecánico. Mc Graw-Hill.
8
FORMATO DE TOMA DE DATOS
PRESIÓN Y TEMPERATURA DEL AGUA EN EL GENERADOR
ENTRADA
SALIDA
PRESIÓN
TEMPERATURA
VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL AGUA CON RESPECTO AL TIEMPO:
SI LOS DATOS SON LEÍDOS CADA DOS MINUTOS (2 min):
TIEMPO (min)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
15
18
21
24
27
TEMPERATURA (°C)
SI LOS DATOS SON LEÍDOS CADA TRES MINUTOS (3 min):
TIEMPO (min)
0
3
6
9
12
TEMPERATURA (°C)
GASTO DE AGUA:
DATOS DE DESNIVEL DEL TANQUE DE AGUA LEÍDOS CADA TRES MINUTOS (3 min):
DESNIVEL DE AGUA ΔH
(cm)
MEDICIÓN
(cm)
ΔH1
ΔH 2
ΔH 3
ΔHPROM
GASTO DE COMBUSTIBLE:
DATOS DE DESNIVEL DEL TANQUE DE COMBUSTIBLES LEÍDOS CADA TRES MINUTOS (3 min):
DESNIVEL DE
COMBUSTIBLE ΔH (cm)
MEDICIÓN
(cm)
ΔH1
ΔH 2
ΔH 3
ΔHPROM
9
10