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PRODUCCIÓN Y TERMODINÁMICA DEL VAPOR DE AGUA

INTEGRANTES:

Ingrid Marisol Cubides Rincón

Paola Ochoa

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS

ESCUELA DE QUIMICA

TUNJA

2015

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PRODUCCIÓN Y TERMODINÁMICA DEL VAPOR DE AGUA

INTEGRANTES:

Ingrid Marisol Cubides Rincón

Paola Ochoa

Profesor: Victor Hugo Cely

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS

ESCUELA DE QUIMICA

TUNJA

2015

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CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN……………………………………………………….. ……. 3

1. Vapor De Agua Y Su Calorimetría………………………….............41.1 Generación de vapor de agua……………………………………… 41.2 Entalpia de vaporización……………………………………………. 41.3 Vapor de agua recalentado…………………………………. ……… 61.4 Determinación del título de un vapor………………………………. 71.5 Variación de la entropía del vapor de agua húmedo…………….. 81.6 Propiedades de los líquidos comprimidos………………….......... 10

2. Generadores y calderas de vapor………………………............ 112.1 Progresos y tendencias……………………………………………. 112.2 Clasificación de las Calderas………………………………... …… 112.3 Capacidad de producción de vapor de las calderas………… 162.4 Comportamiento de las calderas…………………………………… 172.5 Diagrama entrópico o de izart………………………………………. 18

Bibliografía……………………………………………………………………… 23

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Constantes Termodinámicas Del Vapor De Agua Húmedo……………18

Tabla 2 Constantes Termodinámicas Del Vapor De Agua Recalentado……….. 21

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Calorímetro Ellison…………………………………………………….. 8

Figura 2. Diagrama de Mollier…………………………………………………… 10

Figura 3. Caldera Erie City con tubos de retorno horizontales (HTR)………. 12

Figura 4. Caldera tipo locomóvil destinada principalmente………………….. 13

a destino estacionario.

Figura 5. Caldera de tubos rectos con cilindro transversal B y W……………… 14

Figura 6. Caldera C-E de circulación forzada…………………………………. 15

Figura 7. Curvas de comportamiento típicas de calderas ……………………. 18

con hogar mecánico y parrilla sin fin deslizable.

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INTRODUCCION

Una caldera es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. La presión, no puede aumentar de manera desmesurada, ya que debe permanecer constante por lo que se controla mediante el escape de gases de combustión, y la salida del vapor formado. Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes a presiones altas, como el acero laminado.

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1. VAPOR DE AGUA Y SU CALORIMETRIA

1.1 Generación de vapor de agua: Cuando al agua se le comunica energía calorífica varia su entalpia y su estado físico. A medida que tiene lugar el calentamiento, la temperatura del fluido aumenta y por lo regular su densidad disminuye. La rapidez de la vaporización depende de la velocidad con la cual se transmite el calor al agua y de su movimiento en el recipiente en donde está confinado. El vapor así formado, si bien se halla en estado gaseoso, no sigue enteramente las leyes de los gases perfectos. La temperatura a la cual se produce la ebullición depende de la pureza del agua y de la presión absoluta ejercida sobre ella. Para el agua pura la temperatura de ebullición tiene un valor determinado para cada presión y es menor a bajas que a altas presiones.

1.1.2 Vapor de agua saturado: El vapor producido a la temperatura de ebullición correspondiente a su presión (absoluta) se denomina saturado. El vapor saturado puede estar exento completamente de partículas de agua sin vaporizar o puede llevarlas en suspensión. Por esta razón el vapor saturado puede ser seco o húmedo. La generación de vapor de agua es un proceso de flujo constante. En la producción de vapor de agua saturado la absorción de energía (calor) por cada kilogramo de gua tiene lugar en dos etapas:

1) Adición de la entalpia del liquido 2) Adición de la entalpia de vaporización.

1.2 Entalpia de vaporización: La energía calorífica, en kcal, necesaria para convertir 1kg de agua en líquido en vapor seco a la misma temperatura y presión se denomina entalpia de vaporización. A medida que crece la presión absoluta del vapor de agua su entalpia de vaporización decrece, haciéndose cero para la presión critica absoluta de 224,43kg/cm2 correspondiente a la temperatura de saturación de 374°C. A la presión critica el agua pasa directamente del estado líquido al de vapor sin la adición de la entalpia de vaporización, y entonces la entalpia total del vapor saturado seco es igual a la del líquido, o sea 505,5 kcal por kg. La entalpia de vaporización consta de dos sumandos: la energía interna y el trabajo, P(Vg-Vf)/J, realizado al efectuar la variación de volumen de 1kg de agua a 1kg de vapor seco a la presión absoluta reinante; ambos sumandos suelen venir dados en kcal por kg. El trabajo que realiza equivalente en kcal es

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La energía interna de vaporización µ/g es la energía en kcal necesaria para vencer la cohesión de las moléculas de agua a la temperatura de ebullición. Esta energía interna de vaporización es igual a :

1.2.1 Entalpia total del vapor de agua saturado seco. La entalpia total hg de 1 kg de vapor saturado seco, sobre 0°C, es la suma de la entalpia del líquido y de la entalpia de vaporización.

En donde

hg= entalpia del vapor, en kcal por kg

hf= entalpia del líquido, en kcal por kg

hfg=entalpia de vaporización, en kcal por kg

La entalpia total del vapor de agua saturado seco depende de su presión.

1.2.3 Volumen especifico y densidad de vapor de agua saturado seco: Los volúmenes específicos Vg en metros cúbicos, ocupados por 1kg de vapor de agua saturado vienen saturados en las tablas. Estos volúmenes varían inversamente con la presión. La densidad dg del vapor de agua saturado seco es el peso del vapor de agua en kilogramos por metro cubico y su reciproco es el volumen especifico vg. La densidad es directamente proporcional a la presión, es decir cuánto más elevada es la presión, más grande es el peso de vapor por metro cubico. En las tablas del vapor, más grande es el peso de vapor por metro cubico. En las tablas del vapor también se indican los volúmenes vf del agua líquida; la densidad del líquido puede calcularse como reciproco de vf .

1.2.4 Entalpia total del vapor de agua saturado húmedo. La entalpia total de 1kg de vapor de agua saturado húmedo es más pequeña que la de 1kg de vapor de agua saturado seco para la misma presión. Cuando el agua no está completamente vaporizada, el calor que posee como entalpia de vaporización es

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más pequeño que el correspondiente al vapor seco. El título del vapor solamente afecta a la entalpia de vaporización y no modifica la entalpia del líquido para una presión dada cualquiera. La entalpia total de 1kg de vapor húmedo sobre 0°C, es

En donde

1.2.5 Volumen especifico y densidad del vapor de agua saturado húmedo. Cuando el título del vapor se expresa como fracción decimal, el volumen especifico Vgw del vapor de agua saturado húmedo vale :

En esta fórmula Vf y Vg se sacan de las tablas de vapor de agua correspondientes a las propiedades del vapor saturado seco para las presiones reinantes en cada caso. Cuando se conoce Vfg puede reemplazar a (Vg-Vf). La densidad del vapor es el reciproco de Vgw

1.3 Vapor de agua recalentado. La temperatura y la entalpia total del vapor de agua saturado, a una presión cualquiera, puede aumentarse añadiéndole calor adicional. Cuando la temperatura del vapor es superior a la de saturación correspondiente a la presión, se dice que el vapor esta recalentado. El recalentamiento, por lo regular se efectúa en un equipo independiente en donde el vapor no está en contacto con el líquido. La entalpia total de 1kg de vapor recalentado, se puede calcular añadiendo a la entalpia total de 1 kg de vapor saturado seco, a la presión dada, la entalpia agregada en el proceso del recalentamiento. Esta última cantidad puede expresarse por Cps (ts---t), en donde ts

es la temperatura del vapor recalentado, y t la del vapor saturado a la presión absoluta existente. El calor especifico medio del vapor recalentado Cps varía entre la presión y temperatura entre 0,44, para pequeños grados de recalentamiento a presiones inferiores a la atmosférica, hasta más de 2 a elevadas temperaturas y presiones.

Las ventajas del vapor recalentado son:

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1. El calor adicional comunicado al vapor hace que este se comporte con más aproximación como gas perfecto que como vapor saturado

2. Los límites de temperaturas en ciertas partes de los equipos que utilizan vapor pueden aumentarse.

3. Se pueden eliminar o disminuirse las pérdidas producidas por la condensación del vapor en las tuberías y las máquinas y turbinas de vapor.

1.4 Determinación del título de un vapor. La sequedad o calidad del vapor de agua saturado se determina por medio de calorímetros especiales. Los tipos de calorímetro más corrientes son: el de separación y el de estrangulación o recalentamiento. Cuando el título del vapor es bajo y cuando el grado de exactitud de la determinación ha de ser elevado se utilizan calorímetros en los que se combinan las características de los tipos mencionados.

En todas las determinaciones de título de un vapor el calorímetro debe estar aislado térmicamente, y por otra parte, la muestra de vapor tomada debe ser representativa del vapor cuyo título se trata de determinar.Los calorímetros del tipo de separación se basan en separar la humedad del vapor húmedo que entra en el aparato. En este caso es necesario medir el peso de la humedad recogida en forma de agua y el peso del vapor seco que sale del calorímetro. Los calorímetros del tipo de separación se utilizan para determinar los títulos de vapores de agua muy húmedos y de los de baja presión. La expresión del título en forma de fracción decimal es la siguiente

En donde

Los calorímetros del tipo de estrangulación se fundan en que si el vapor se estrangula y continuación se expansiona sin realizar trabajo o sin pérdida de calor, la energía total del calor permanece invariable. Las pérdidas por radiación deben reducirse a un mínimo y para ello el calorímetro y el conducto de unión a la tubería de vapor han de estar completamente aislados térmicamente. El calorímetro representado en la figura 1 es del tipo de estrangulación. El vapor entra por la tubería de toma de muestras y se expansiona al pasar por un orificio. A

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continuación entra en la cámara de vapor, escapándose finalmente por su parte alta después de haber recorrido una trayectoria en forma de U. El exceso de humedad momentáneo se separa y re evapora dentro de la cámara de vapor, y el efecto viene indicado en proporción directa por el termómetro de recalentamiento situado en la trayectoria del vapor. De esta manera, con una simple cámara queda formado un calorímetro de estrangulación, separación y reevaporacion; esta cámara se halla rodeada exteriormente por el vapor que sale del aparato. La camisa de vapor, a su vez se halla protegida contra el enfriamiento por medio de una gruesa capa de material aislante y una envolvente niquelada. Para saber la presión inicial del vapor es preciso servirse de un manómetro. El vapor, finalmente se escapa libremente a la atmósfera.

Figura 1 Calorímetro Ellison

1.5 Variación de la entropía del vapor de agua húmedo. Cuando el vapor lleva agua en suspensión, las variaciones de entropía total y las correspondientes a la vaporización son inferiores a las consignadas en las tablas de vapor seco al calcular la entalpia total de 1kg de vapor húmedo, el título del vapor solamente afecta a la entalpia de vaporización. Por lo tanto cuando se calcula la variación de entropía de 1kg de agua convertida en vapor húmedo, hay que multiplicar la entropía de vaporización por el título de vapor expresado en fracción decimal. La variación de entropía total será:

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1.5.1 Variación de la entropía del vapor de agua recalentado. Cuando el vapor saturado se transforma en vapor recalentado a la misma presión absoluta, existe una variación suplementaria de entropía. Las variaciones adicionales de entropía desde 8g a 8, debidas al recalentamiento del vapor. Las variaciones de entropía durante el recalentamiento se producen con aumento de temperatura y con calor específico variable. Como consecuencia el método para calcular las variaciones que ocurren durante el recalentamiento es similar al empleado para las variaciones de entropía del líquido.

1.5.2 Entropía constante: Cuando se mantienen las condiciones adiabáticas en un medio, este no recibe ni cede calor a los cuerpos que lo rodean. En las evoluciones adiabáticas reversibles o isoentropicas no hay variación en la entropía total. Sin embargo cuando el vapor se expansiona isoentropicamente desde una temperatura a otra más baja y realiza trabajo, se produce una disminución en la entalpia total del vapor. Si la expansión se prolonga suficientemente o si el vapor se halla inicialmente saturado, el título del vapor después de la expansión será menor que la unidad en caso de abajo que se realice trabajo. Cuando se conocen las condiciones iniciales y la presión final del vapor después de la expansión isoentropica, se puede calcular su título final. En el caso de que no halla variación de entropía durante la expansión adiabática en la cual se realiza trabajo, la entropía final es igual a la inicial.

Los valores numéricos se toman directamente de las tablas del vapor de agua.

1.5.3 Diagramas de entalpia-entropía totales. El diagrama de Mollier (Fig 2) permite resolver rápidamente los problemas en los cuales intervienen las propiedades del vapor de agua. En este grafico pueden leerse la entalpia total y las variaciones de entropía, a varias presiones, para el vapor húmedo, seco y recalentado. El diagrama de Mollier permite determinar rápidamente el título de un vapor de agua partiendo de los resultados obtenidos con un calorímetro del tipo estrangulación. asi mismo con el auxilio de este diagrama pueden determinarse la entalpia total y el contenido de humedad y del vapor de agua después de sufrir una expansión isoentropica, siempre y cuando se conozcan las condiciones iniciales en que se hallaba dicho vapor.

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Fig 2. Diagrama de Mollier

1.6 Propiedades de los líquidos comprimidos. Para producir vapor se introduce en los generadores agua a una presión más grande que la que existe en el interior de dicho generador, con una entalpia más pequeña que la correspondiente al agua contenida en aquel. Para presiones absolutas de 28kg por cm2 como máximo, pueden utilizarse los vapores de las ya mencionadas tablas de vapor sin cometer errores de importancia. Sin embargo tratándose de calderas de elevada presión, hay que tener en cuenta las propiedades de los líquidos comprimidos cuando su temperatura no corresponde a la presión ejercida sobre ellos para la saturación. Cuando se introduce el agua en las calderas, por medio de bombas, debido a la comprensión del agua su volumen disminuye ligeramente por debajo del que posee en su estado inicial, con lo cual la energía interna de 1kg del líquido disminuye, porque decrece la distancia intermolecular, el flujo de energía aumenta al crecer la presión, aun cuando la disminución de volumen sea pequeña; la temperatura aumenta ligeramente; la entalpia crece, y la entropía del líquido decrece.

2. GENERADORES Y CALDERAS DE VAPOR

2.1 Progresos y tendencias. Un grupo productor de vapor de agua es una combinación de aparatos que puede constar de cualquiera o todos los siguientes: caldera, hogar, equipo de quemadores o el necesario para quemar el combustible, cámaras de agua, purificador del vapor, recalentador, atemperador (dispositivo para controlar la temperatura del vapor), economizador y calentador del aire.

Las calderas antiguas solamente podían trabajar a presiones muy bajas (presiones relativas de 0,7 a 5,25kg/cm2), a causa de su forma, materiales y sus posibilidades constructivas. Las instalaciones industriales suelen emplear vapor a presiones relativas menores de 21 kg/cm2, y en muchos casos el vapor a baja

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presión se utiliza para calefacción y en distintos procesos de fabricación. Un constructor de calderas cita, entre las suministradas recientemente por el para instalaciones de utilidad pública, calderas que trabajan a presiones relativas comprendidas entre 66 y 145 kg/cm2. De estas la más grande produce 544800 kg de vapor por hora, a una presión relativa de 145 kg/cm2 y a una temperatura de de 537°C, pudiendo producir a esta temperatura vapor recalentado; la caldera de presión más baja produce, en cambio 272.400 kg de vapor por hora a 66,5 kg/cm2

de presión relativa y a una temperatura total de 482°C. En cuanto a la presión, la máxima correspondiente a una central en construcción cuya caldera trabajara a una presión relativa de 315 kg/cm2, si bien la tendencia actual es no pasar de 164,5 kg/cm2 y una temperatura total del vapor de 592°C, recalentándolo a partir de 565°C. En la porción del diagrama de Mollier correspondiente a las presiones más elevadas, se observa que un aumento de 55°C en la temperatura del vapor produce más energía útil por kilogramo de vapor aumentando la presión absoluta de este en 7 kg/cm2.

2.2 Clasificación de las Calderas

Las calderas de vapor se clasifican, atendiendo a la posición relativa de los gases calientes y del agua, en acuotubulares y pirotubulares; por la posición de los tubos, en verticales, horizontales e inclinados; por la forma de los tubos, de tubos rectos y de tubos curvados; y por la naturaleza del servicio que prestan, en fijas, portátiles, locomóviles y marinas. La elección de una caldera para un servicio determinado depende del combustible de que se disponga, tipo de servicio, capacidad de producción de vapor requerida, duración probable de la instalación y de otros factores de carácter económico.

2.2.1 Calderas Pirotubulares. En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua. Las calderas pirotubulares pequeñas, junto con las máquinas de vapor correspondientes, han sido desplazadas en su mayoría por los motores de combustión interna en la producción de energía destinada al accionamiento de hormigonera, grúas portátiles y grupos para extinción de incendios,. Las calderas pirotubulares generalmente tienen un hogar integral (denominado caja de fuego) limitado por superficies enfriadas por agua. En la actualidad, las calderas pirotubulares horizontales con hogar integral se utilizan en instalaciones de calefacción a baja presión, y algunos tipos más grandes para producir vapor a presión relativamente baja destinado a calefacción y a producción de energía.

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La figura 3 representa una caldera fija con tubos de retorno horizontales (HTR), que es un tipo de caldera pirotubular. Consiste en una combinación de parrilla, altar de refractorio. El cuerpo de la caldera se halla suspendido de vigas de hierro mediante tirantes. Las calderas de menos de 150cm de diámetro suelen descansar sobre la obra de ladrillo por medio de orejas salientes. Los gases calientes pasan por encima del altar y a continuación lamen todo el fondo de la caldera, volviendo a la parte frontal de la misma por el interior de los tubos. Finalmente, del extremo frontal de estos, los productos de la combustión pasan a la chimenea. El diámetro de los tubos puede ser 3, 3 ½ y 4 pulgadas, según sea el combustible empleado. Los diámetros del cilindro o cuerpo de estas calderas están comprendidos entre 91 y 213 cm; la longitud de los tubos correspondientes, entre 3 y 6 metros; las presiones relativas del vapor llegan hasta 12 kg/cm2 y las superficies de caldeo se hallan comprendidas entre 13 y 225 m2, las calderas con tubos de retorno no son apropiadas para grandes centrales térmicas debido a sus pequeñas capacidades de producción de vapor. Sin embargo, se utilizan en pequeñas centrales industriales a causa de su bajo costo inicial, gran facilidad de limpieza y gran volumen de agua. No pueden construirse para presiones y capacidades de producción elevadas porque entonces el espesor de sus planchas resultaría excesivo.

Fig 3. Caldera Erie City con tubos de retorno horizontales (HTR)

La caldera locomóvil (fig 4) tiene el hogar interior limitado en cuatro caras por superficies enfriadas por agua. La parte alta del hogar, denominada coronamiento, se halla bajo el nivel del agua. Los gases pasan del hogar a la salida de humos por el interior de tubos rectos. En las calderas tipo locomóvil los gases calientes no están en contacto con la superficie externa del cuerpo de la caldera y por esta razón pueden trabajar a presiones más elevadas que las calderas pirotubulares, las cuales tienen parte de su superficie externa expuesta al calor irradiado por el

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combustible ardiendo y a la acción de los gases calientes que salen del hogar. La caldera de la figura 4 puede trabajar con fueloil, a presiones relativas hasta. 28 kg/cm2 y con potencias hasta 150 HP de caldera. Las ventajas de Ias locomóviles son: ser portátiles, servicio continúo y excelente con un coste de entretenimiento mínimo en condiciones de trabajo severas, así como una gran capacidad de producción de vapor en comparación a su tamaño. Sus desventajas son: pequeña velocidad de circulación del agua y grandes superficies metálicas planas que exigen un arriostrado considerable a base de virotillos y remaches.

La figura 5 representa un generador moderno de vapor pirotubular.

Fig 4. Caldera tipo locomóvil destinada principalmente a destino estacionario

2.2.2 Calderas acuotubulares En las calderas acuotubulares, por el interior de los tubos pasa agua o vapor, y los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa de aquéllos, en contraste con el tipo pirotubular. Las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones son de tracción en vez de compresión, como ocurre en los pirotubos. La limpieza de las calderas acuotubulares se lleva a cabo fácilmente porque las escamas o incrustaciones se quitan sin dificultad utilizando un dispositivo limpiatubos movido con agua o aire. Los objetivos perseguidos al construir una caldera cualquiera son: coste reducido, formas simples de los tubos, compacidad, accesibilidad, transmisión eficiente del calor, buena circulación, y elevada capacidad de producción de vapor. Esta amplitud de miras ha dado como resultado muchos diseños y modificaciones de la caldera acuotubular, tales como tubos rectos, tubos curvos, de un solo cuerpo cilíndrico, de varios cuerpos, de cuerpo cilíndrico longitudinal y de cuerpo transversal.

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Fig 5. Caldera de tubos rectos con cilindro transversal B y W.

2.2.3 Calderas de tubos rectos inclinados. Una variante de la caldera acuotubular con tubos rectos aparece representada en la figura 5. El cuerpo cilíndrico único va colocado a lo largo o formando ángulo recto con los tubos. El agua de alimentación, que entra por la parte más baja del cilindro, desciende por el interior de los colectores posteriores y sube por los tubos inclinados en donde se forma el vapor. La mezcla de vapor y agua asciende rápidamente por los colectores frontales, induciendo, en consecuencia, una circulación hacia el cuerpo cilíndrico de la caldera en donde tiene lugar la separación entre el vapor y el agua.

Los acuotubos, los cuales son de 4 pulg, están inclinados formando un ángulo de unos 22 grados. Los productos de la combustión pasan sobre la superficie externa de los tubos guiados por medio de deflectores. La caldera descansa sobre un armazón de vigas de hierro y se halla rodeada de paredes de ladrillo. La presión de trabajo de estas unidades llega hasta 35 kg/cm2 y sus superficies de caldeo están comprendidas entre 67 y 1350 m2. Estas instalaciones suelen utilizar recalentadores y pueden adaptarse a la producción de energía. Las calderas de tubos rectos tienen la ventaja de que todos los tubos principales son iguales y solamente se necesitan pocas formas especiales.

2.2.3 Calderas de vapor con circulación forzada. Cuando en una caldera se reemplaza la circulación por gravedad por circulación forzada, el diámetro de los tubos puede reducirse, el circuito de los tubos se alarga, y disminuye el espesor de sus paredes para una presión dada. Los tubos pueden disponerse a modo de serpentín continuo, formando el revestimiento del hogar. De esta manera se

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mejora la transmisión del calor, el espacio requerido se reduce al mínimo y los colectores y cuerpos cilíndricos quedan suprimidos. Las calderas de circulación favorecida, emplean una bomba para favorecer la circulación del agua o vapor. Las calderas La Mont y Velox son de este tipo. En la caldera Velox, que ha adquirido gran aceptación en Europa, los gases de la cámara de combustión son comprimidos a unos 2 kg/cm2 por medio de un ventilador accionado por una turbina de gas que trabaja con los gases de escape de la caldera. Debido al aumento de densidad de los gases que resulta de haberlos comprimido, se mejora la transmisión de calor, llegando a ser diez veces más grande que en el caso de hogares corrientes; por esta razón la caldera requiere solamente casi una cuarta parte del espacio y pesa un séptimo del valor correspondiente a generadores de tipo convencional de la misma capacidad de producción de vapor. Otras ventajas atribuidas a esta clase de calderas son una respuesta rápida a los controles y una puesta en marcha rápida. La figura 6 representa una caldera de circulación forzada del tipo de recirculación.

Fig 6. Caldera C-E de circulación forzada

2.3 Capacidad de producción de vapor de las calderas. La producción de un generador de vapor se da frecuentemente en kilogramos de vapor por hora. La capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma del calor total transmitido por las superficies de caldeo en kcal por hora. Debido a que este valor numéricamente es grande, la ASME recomienda como unidades la kilo Btu (=1000 Btu=254 kcal) por hora, o la mega Btu (= 1.000.000 Btu=254 000 kcal) por hora. El proceso de transmisión de calor que tiene ocasión en un

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generador de vapor es un proceso de flujo constante, en el cual el calor transmitido es igual a la variación de la entalpía del fluido. Por consiguiente, la producción de la caldera medida por el calor absorbido por el agua y vapor será, en kilocalorías.

En donde

Cuando el peso de vapor mg es la cantidad máxima que la caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo específica, la fórmula anterior da la capacidad mínima. Pero si mg, representa el peso de vapor que la caldera puede producir con más eficiencia, la producción correspondiente se denomina capacidad normal. La capacidad de una caldera podrá expresarse de la siguiente forma:

El factor de vaporización es la relación entre el calor absorbido por 1 kg de agua de alimentación en las condiciones reinantes en la caldera y el absorbido por 1kg de agua a 100º al vaporizarla a 100°C. De donde resulta

La vaporización equivalente se define como los kilogramos de agua por hora a 100ºC, que se vaporizarían a 100°C si se hubiese absorbido la misma cantidad de energía que en las condiciones observadas en la caldera. Por lo tanto,

El rendimiento de las calderas puede disminuir cuando desarrollan más de su potencia nominal. Esta disminución de rendimiento no suele ser apreciable hasta que la caldera desarrolla el 200% o más de su potencia normal, y es debida a la

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inaptitud de la caldera a absorber el calor adicional liberado por el fuego en estas condiciones de trabajo.

2.4 Comportamiento de las calderas. El comportamiento de un generador de vapor puede expresarse en función de los kilogramos de vapor producidos, velocidad de combustión, transmisión de calor en kcal/m2 de superficie de caldeo y por hora, temperatura de los gases de la chimenea, porcentaje de CO2 en dichos gases, combustible sin quemar contenido en las cenizas y escorias, porcentaje de la potencia nominal de la caldera desarrollado y rendimiento global.

El rendimiento global de una caldera de vapor en condiciones de funcionamiento la relación entre el calor transmitido y la energía suministrada en forma de combustible es:

En donde

eb= rendimiento del generador de vapor, en% incluyendo caldera, recalentador, hogar, camisas de agua, calentador del aire y economizador.

mf= Peso total de combustible quemado por hora en kg; m3 por hora tratándose de combustibles gaseosos.

F= potencia calorífica superior del combustible quemado, en kcal por kg; kcal por m3 tratándose de combustibles gaseosos

El rendimiento aumenta con la capacidad de la caldera y velocidad de combustión hasta alcanzar un valor máximo, pasado el cual disminuye al aumentar la capacidad de producción. (Ver fig. 7)

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Fig 7. Curvas de comportamiento típicas de calderas con hogar mecánico y parrilla sin fin deslizable

En la figura 7 la punta de la curva de rendimientos se alcanza cuando la caldera produce entre 9.080 y 13.620 kg de vapor/hora. Si se sobrepasa el último valor, el rendimiento disminuye debido al aumento de las perdidas caloríficas producidas al crecer la temperatura de los gases de la chimenea y al aumentar la cantidad de combustible sin quemar que queda con las cenizas y las escorias.

2.5 Diagrama entrópico o de izart. Consiste en una representación cartesiana de las propiedades del agua, con la temperatura en el eje de ordenadas y la entropía en el eje de abscisas por lo que, a veces se conoce como diagrama T- S. Obsérvese que en este diagrama el convenio establecido para la entropía del agua exige que la línea binodal corte al eje de ordenadas en la temperatura de 0°C. En el diagrama entrópico, además de las líneas de igual título que aparece dentro de la línea binodal, se trazan dos tipos de líneas diferentes: las isobaras, que se hacen horizontales en la zona bifásica, y las isoentálpicas. A veces, también se presentan las líneas de densidad constante.

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Tabla1. CONSTANTES TERMODINÁMICAS DEL VAPOR DE AGUA HÚMEDO

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CONSTANTES TERMODINÁMICAS DEL VAPOR DE AGUA HÚMEDO (Continuación)

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CONSTANTES TERMODINÁMICAS DEL VAPOR DE AGUA HÚMEDO (Final)

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Tabla 2. CONSTANTES TERMODINÁMICAS DEL VAPOR DE AGUA RECALENTADOv = volumen específico en (dm3/kg) ; i = entalpía específica en (kJ/kg) ; s = entropía específica en (kJ/kgºK)

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BIBLIOGRAFIA

W. H. SEVERNS. 1961. La producción de energía mediante el vapor de agua. Editorial Reverte S.A. Barcelona. Buenos Aires.

M. ZAMORA. 1998. Estudio de los sistemas Termodinámicos.


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