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Precalentador de agua para calderas de vapor

Enviado por Pedro Navarro



Partes: 1, 2

Introducción

Diseño de investigación

Revisión bibliográfica

Métodos y materiales

Análisis de los resultados

Conclusiones

Recomendaciones

Bibliografía

Anexos

Propuesta de implementación de un precalentador para el agua de alimentación a la caldera en la empresa UEB Embotelladora de cerveza, Princesa, Pinar Del Río.

 

RESUMEN

La UEB Embotelladora de cerveza, Princesa, como se nombre lo dice está destinada para el embotellado de cerveza para el consumo de la población de Pinar del Río, para el turismo y de forma general estos productos llegan a todos los rincones del país. La generación de vapor de agua es uno de los procesos más fundamentales en esta empresa pues dicho vapor es utilizado para el lavado y pasteurizado de la cerveza. Mediante una serie de análisis llevados a cabo en el proyecto se demostró que los gastos por concepto de consumo de combustible para el proceso son elevados y se podrán disminuir variando la temperatura del agua de alimentación a la caldera.

Con la implementación de un precalentador que utiliza como fuente los gases de escape de la caldera para calentar el agua de alimentación de la misma caldera se logró aumentar la temperatura del agua de alimentación de 250C a 520C disminuyendo el gasto de combustible por un 3,93% que implica un ahorro de 59 litros diario.

Palabras claves: generación de vapor, precalentador, combustible.

SUMMARY

The Bottling Plant for beer, Princess, like it name says is dedicated to the bottling of beer for the consumption of the population of Pinar del Río, for tourism and in a general way these products arrive to all the domestic corners. The generation of steam is one of the most fundamental processes in this company since this vapor is used for the washing and pasteurizing of the beer. By means of a series of analysis carried out in the project it was demonstrated that the expenses for concept of consumption of fuel for the process are high and they will be able to diminish varying the temperature of the feeding water to the boiler.

With the implementation of a preheater that uses as its heat source the gases from the combustion of the boiler to heat the water of the same boiler. It was possible to increase the temperature of the feeding water from 250C to 520C diminishing the expense of fuel in about 3.93% that implies a saving of 59 liters daily.

Keywords: steam generation, preheater, fuel.

Introducción

Para la optimización de recursos y la adaptación a nuestros usos, necesitamos transformar unas formas de energía en otras. Todas ellas se pueden transformar en otras cumpliendo el siguiente principio termodinámico:

"La energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma". De este modo, la cantidad de energía inicial es igual a la final.

Pero la energía y el consumo energético significan gastos y hoy en día una de las tareas fundamentales del ingeniero mecánico es disminuir esos gastos y una de las formas más aplicables es la utilización de la transferencia de calor.

El generador de vapor moderno es un equipo de gran complejidad. Es un intercambiador de calor altamente especializado, en el cual se transfiere al agua, el calor desprendido por el combustible, para formar el vapor. Lo componen diversos equipos con diferentes funciones, pero todos contribuyen a garantizar su funcionamiento y aumentar su eficiencia térmica. La disminución del gasto de combustible en el generador de vapor es una necesidad de los procesos energéticos, pues los mismos en la actualidad presentan valores muy altos. De ahí que el proyecto se base en identificar una forma eficiente de disminuir los gastos de combustible para lo cual se tiene la siguiente diseño de investigación.

Diseño de investigación

Título:

Propuesta de implementación de un precalentador para el agua de alimentación a la caldera en la empresa UEB Embotelladora de cerveza, Princesa, Pinar Del Río.

Problema:

La empresa UEB Embotelladora de cerveza Princesa no cuenta con un precalentador para el agua de alimentación a la caldera.

Objeto de estudio:

El proceso de generación de vapor.

Campo de acción:

Las metodologías de cálculo del precalentador de agua.

Objetivo:

Realizar una evaluación de la implementación de un precalentador que sea capaz de utilizar la energía de los gases de escape generada de la quema del combustible de la caldera para precalentar el agua de alimentación de la misma caldera.

Hipótesis:

Teniendo en cuenta la temperatura de los gases de escape de la combustión, la eficiencia de la caldera y la temperatura del agua necesaria en el proceso de generación de vapor se podrá decidir si es factible o no el uso de un precalentador encargado de calentar el agua de alimentación a la caldera.

Objetivos específicos:

  • Determinar el gasto y eficiencia del generador de vapor sin el empleo del precalentador.

  • Determinar el ahorro energético con el empleo del precalentador.

Tareas a ejecutar:

  • a) Trabajos de campo: realizar visitas a la empresa UEB Embotelladora de cerveza Princesa. Extensión del estudio a otras provincias de Cuba.

  • b) Realizar una búsqueda bibliográfica sobre el proceso de generación de vapor, tipos de calderas que existen y la posibilidad del empleo de un precalentador para el calentamiento del agua de alimentación de la caldera usando los gases de escape.

  • c) Descripción de la revisión bibliográfica del proceso.

  • d) Seleccionar parámetros de cálculos adecuados a las exigencias del problema.

  • e) Evaluar los resultados y posibilidad del uso del precalentador.

  • f) Entregar la documentación técnica del proyecto a la empresa UEB Embotelladora de cerveza Princesa.

CAPITULO I.

Revisión bibliográfica

  • Generadores de vapor.

El generador de vapor es una máquina o dispositivo con un conjunto de elementos el cual transforma la energía química a energía térmica. Este transforma la energía en forma de calor de los gases producto de la combustión de la sustancia combustible (fuente de la energía química) en energía térmica producto de la combustión que evaporan el agua y obtienen vapor de agua (energía térmica).

Un generador de vapor es un conjunto de equipos y agregados auxiliares, integrados en un esquema tecnológico con el objetivo de producir vapor a partir de agua de alimentación, para lo cual utilizan energía proveniente de una fuente de calor. (Borroto Nordelo & Rubio González, 2007)

  • Desarrollo histórico del generador de vapor.

Pocas tecnologías han aportado tanto el desarrollo de la humanidad como la generación y utilización del vapor en procesos tecnológicos. Los antecedentes de su uso se remontan a épocas antes de nuestra era, y se dice que constituyó la chispa de la Revolución Industrial, momento a partir del cual se produce el desarrollo acelerado de la industria moderna de procesos.

La primera mención de la idea de utilizar vapor para obtener energía aparece en La neumática, del inventor y matemático griego Herón de Alejandría, en el siglo I. Allí describió su eolípila, una turbina de vapor que consistía en una caldera conectada mediante dos tubos a los polos de una esfera hueca que podía girar libremente. La esfera estaba equipada con dos boquillas biseladas por donde salía vapor que producía la rotación de la esfera. Se han encontrado otras referencias en trabajos de la edad media y del renacimiento, pero no parece que se hayan construido dispositivos prácticos hasta que el arquitecto e inventor italiano Giovanni Branca diseñó una caldera que expulsaba vapor, el cual empujaba unas paletas que sobresalían de una rueda, haciéndola girar.

La primera máquina de vapor, construida por el ingeniero inglés Thomas Savery en 1698, consistía en dos recipientes de cobre que se llenaban alternativamente del vapor de una caldera. La máquina de Savery se utilizaba para extraer agua de las minas, como la desarrollada en 1705 por el inventor británico Thomas Newcomen.

El inventor escocés James Watt mejoró la máquina de Newcomen e introdujo el primer avance significativo de la caldera, el recipiente esférico o cilíndrico que se calentaba por abajo con una hoguera. La caldera de Watt, construida en 1785, consistía en un armazón horizontal cubierto de ladrillo con conductos para dirigir los gases calientes de la combustión sobre la caldera. Watt, uno de los primeros ingenieros que aprovechó las propiedades termodinámicas del vapor de agua, utilizó la válvula de seguridad de palanca, manómetros para medir la presión y grifos para controlar el flujo de agua y vapor en sus calderas.

Las calderas de tubos de humo o semitubulares; Las máquinas de Savery, Watt y Newcomen trabajaban a presiones sólo un poco superiores a la atmosférica. En 1800 el inventor estadounidense Oliver Evans construyó una máquina de vapor a alta presión utilizando una precursora de la caldera semitubular. La caldera de Evans consistía en dos armazones cilíndricos, colocados uno dentro del otro, con agua entre ambos. La parrilla y los conductos estaban alojados en el cilindro interior para permitir un rápido aumento de la presión del vapor. De forma simultánea pero independiente el ingeniero británico Richard Trevithick desarrolló una caldera similar que se utilizó en Cornualles. La primera mejora sustancial de las calderas de Evans y Trevithick fue la caldera Lancashire, patentada en 1845 por el ingeniero británico William Fairbairn, en la cual los gases calientes de la combustión se conducen a través de tubos insertados en el contenedor de agua, lo que aumenta la superficie por la que el calor puede ser transmitido. Las calderas semitubulares tenían limitaciones de capacidad y presión, además de reventar en ocasiones.

Calderas tubulares; La presión en las calderas, sin embargo, permaneció limitada hasta el primer diseño viable de la caldera tubular, patentada en 1867 por los inventores estadounidenses George Herman Babcock y Stephen Wilcox. En la caldera tubular el agua recorría unos tubos calentados por gases de la combustión y el vapor se acumulaba en un tambor. Esta disposición aprovechaba el calor de convección de los gases y el calor radiante del fuego y las paredes de la caldera. La amplia aplicación de la caldera tubular se hizo posible en el siglo XX con adelantos como las aleaciones de acero de alta temperatura y las técnicas modernas de soldadura, que convirtieron la caldera tubular en el modelo de las grandes calderas. (Encarta, 2009)

Las modernas calderas tubulares pueden operar a presiones de 340 atm y generar más de 4.000 toneladas de vapor por hora. Dado que la temperatura de combustión puede superar los 1.650 °C, el flujo de agua se controla mediante circulación simple o forzada. Con la utilización de los llamados supercalentadores, las calderas modernas pueden alcanzar un 90% de rendimiento del combustible. Los precalentadores calientan el aire que entra con los gases de la combustión que se descargan al conjunto; los precalentadores de agua utilizan los gases de los conductos para calentar el agua antes de introducirla en la caldera. El control de las corrientes y el tratamiento químico del agua para evitar la deposición de óxidos y la corrosión también contribuyen a la eficiencia del funcionamiento.

Hoy en día las calderas constituyen un elemento esencial en el funcionamiento de prácticamente todas las empresas industriales al proporcionar la potencia o el calor necesario para el proceso, dependiendo sus resultados productivos y económicos en gran medida de la confiabilidad, seguridad y eficiencia con que operen las calderas.

  • Clasificación de los generadores de vapor.

Los generadores de vapor pueden ser clasificados de atendiendo a diversos criterios relacionados con sus parámetros y sus características constructivas y de operación.

Los generadores de vapor pueden ser divididos en los siguientes grupos:

  • a) De acuerdo con la disposición de los fluidos en los tubos.

  • De tubos de fuego (pirotubulares). Son generadores de vapor pequeños. En ellos los gases calientes (fuego) circulan por dentro de los tubos, mientras que el agua está por fuera.

  • De tubos de agua (acuotubulares). Son generadores de vapor medianos y grandes. En ellos el agua circula por dentro de los tubos mientras que los gases están por fuera.

  • b) De acuerdo con el uso.

  • Estacionarios. Son aquellos que se instalan fijos en su lugar de operación y constituyen la inmensa mayoría. Ejemplos de ellos son las calderas de termoeléctricas y centrales azucareros.

  • Portátiles. Son equipos pequeños que permiten ser trasladados de lugar con facilidad, necesitándose para su reinstalación un mínimo de acondicionamiento.

  • Móviles. Son aquellos que se instalan en medios de transporte y que operan durante su movimiento. Ejemplos de ello son las calderas de locomotoras y las marinas.

  • c) De acuerdo con el tamaño.

  • Pequeños. Son generadores de vapor de pequeñas producciones y operación a bajas presiones. Se instalan en empresas industriales pequeñas, tintorerías, hospitales, comedores, laboratorios, hoteles y pueden encontrarse también en centrales azucareros. Generalmente suministran vapor saturado. Producción: D < 20 000 kg/h. Presión: P < 2,0 MPa

  • Medianos. Tienen producciones de vapor intermedias al igual que sus presiones; pueden suministrar tanto vapor saturado como sobrecalentado. Se instalan en empresas industriales de importancia: centrales azucareros, fábricas de fertilizantes, papeleras, industrias textiles, etc. Producción: D = 20 000 – 100 000 kg/h. Presión: P = 1,0 – 6,0 MPa

  • Grandes. Son los de mayores producciones de vapor, lo suministran siempre sobrecalentado y en los máximos parámetros de presión y temperatura. Se instalan en las centrales termoeléctricas y en empresas grandes, pueden encontrarse en centrales azucareros. Reciben También el nombre de radiantes. Producción: D > 100 000 kg/h. Presión: P > 6 MPa

  • d) De acuerdo con la forma y posición de los tubos

  • De tubos rectos. En ellos toda la flusería está integrada por tubos rectos. Se subdividen en: horizontales y verticales, de acuerdo de la posición de los tubos. Son generadores de vapor pequeños y medianos.

  • De tubos curvos. La flusería está compuesta por tubos curvos con diferentes formas. Son generadores de vapor medianos y grandes.

  • e) De acuerdo con el sistema de circulación de la sustancia de trabajo.

  • De circulación natural. En ellos la sustancia de trabajo se mueve por el principio del termosifón, como resultado de la diferencia de densidad entre el agua y la mezcla agua – vapor que se genera.

  • De circulación forzada. En ellos la sustancia de trabajo se mueve impulsada por equipos mecánicos (bombas de alta presión) pero mantienen el domo para la separación del agua y el vapor.

  • De circulación continua. En este caso también el agua es impulsada por una bomba pero en un circuito continuo donde ya no existe el domo.

  • f) De acuerdo con el combustible. Esta clasificación está en función del combustible utilizado y en este caso las particularidades están más bien en el sistema de combustión (horno) que en la caldera en sí.

  • Generadores de vapor de combustible líquido.

  • Generadores de vapor de combustible sólido.

  • Generadores de vapor de combustible gaseoso.

  • Calderas recuperadoras de calor. Las calderas recuperadoras de calor son aquellas que obtienen el calor para generar vapor de gases calientes de otro proceso, como puede ser por ejemplo un alto horno o una turbina de gas.

  • g) De acuerdo con el tiro de los gases.

  • De tiro natural.

  • De tiro mecánico.

  • Hogar balanceado.

  • Hogar presurizado.

(Borroto Nordelo & Rubio González, 2007)

  • Descripción y principio de funcionamiento de las calderas pirotubulares.

Las calderas pirotubulares producen vapor para la industria desde hace más de 150 años. Las primeras calderas construidas eran simples recipientes cilíndricos remachados y hermetizados con las correspondientes tuberías de suministro de agua y extracción de vapor, las cuales contaban con un calentamiento externo por su parte inferior a partir de la combustión de carbón o leña, acumulándose en la parte superior de este recipiente el vapor generado.

Con el tiempo se comprendió que si se incrementaba la superficie de transferencia de calor, se incrementaría su generación. Esto se hizo colocando tubos dentro del recipiente, por los cuales circulaban los gases calientes; de esta forma se originó la caldera de tubos de fuego. La construcción general de la caldera de tubos de fuego no es otra que un casco metálico de forma cilíndrica, en cuyos extremos se han colocado para su cierre, placas conocidas como espejos. Colocados dentro del cilindro y yendo de espejo a espejo están los tubos, los cuales se fijan mediante mandrilado o soldadura; por dentro de estos tubos circulan los gases calientes.

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Fig. 1.1. Caldera de tubos de fuego. Tipo HRT.

a) Circulación de los gases.

b) Circulación del agua.

El desarrollo técnico trajo como consecuencia la necesidad de incrementar la presión de trabajo y alcanzar mayores capacidades, usando para su construcción materiales más resistentes como el acero.

La evolución de las calderas de tubos de fuego en sus inicios estuvo marcada por la tendencia hacia la disminución en el diámetro de los tubos de humo, buscando incrementar la velocidad de los gases y el área de transferencia de calor, haciendo la caldera más compacta. En sus inicios el fogón estaba colocado en la parte exterior de la caldera debajo de esta, de manera que la caldera recibía calor de la llama directa proveniente del fogón y los gases calientes mediante el uso de cámaras de inversión se hacían pasar a través de uno ó varios pases convectivos.

Posteriormente surgió el diseño con el fogón integrado dentro del casco, formado por un tubo cilíndrico y liso, soportado en los espejos de la caldera, denominado caldera escocesa.

La caldera Escocesa (Fig. 1.2) es la caldera de tubos de fuego que se ha impuesto y en la actualidad es muy utilizada en pequeñas empresas industriales y centros donde se requiera la generación de pequeñas cantidades de vapor. Esta caldera es construida de forma compacta, de tal manera que para su puesta en servicio sólo se requiere la construcción de una simple cimentación y su interconexión con el sistema. (Borroto Nordelo & Rubio González, 2007)

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Fig. 1.2. Caldera Pirotubular Tipo Escocesa.

  • Ventajas de los generadores de vapor de tubos de fuego.

Estas calderas tienen hoy su campo de aplicación en instalaciones de pequeña capacidad y presión, donde el vapor se utiliza como medio de calentamiento, debido a sus siguientes ventajas:

  • a. Bajo costo de producción.

  • b. Su completa automatización no es difícil con lo que brinda una gran seguridad en la explotación.

  • c. El arranque y las paradas son muy rápidos, lo cual es muy importante para las instalaciones de servicios. Generalmente demoran solo entre 30 y 45 minutos para alcanzar su presión de trabajo, para un arranque en frío.

  • d. Capacidad de soportar fluctuaciones de cargas bruscas y grandes, produciéndose solo ligeras variaciones en la presión a causa de la gran capacidad acumulativa de agua (kg H2O/ kg de vapor) que generalmente es de 2 a 4. Esto es muy importante en los procesos.

  • e. Bajo costo de mantenimiento.

  • f. Simplicidad de instalación que solo exige la cimentación y la interconexión del generador de vapor a las redes de agua, vapor y combustible.

  • g. Fácil operación no requiriendo una alta calificación del personal.

  • h. Generalmente son de hogar presurizado.

  • i. Poseen una elevada carga térmica volumétrica por lo que son compactas es decir ocupan poco espacio.

(Rubio González)

  • Desventajas de los generadores de vapor de tubos de fuego.

Acerca de los generadores de vapor podemos decir que dentro de las principales desventajas se encuentran:

  • a. Generalmente solo producen vapor saturado que limitan su uso en la producción de potencia.

  • b. Sus capacidades y presión de trabajo están limitadas debido a que para presiones mayores de 20 bares aumenta en forma considerable el espesor de las placas y el casco.

  • c. Hay que sacarla de explotación para la limpieza de las superficies de transferencia de calor.

  • d. Su rendimiento generalmente es menor que el de las acuotubulares.

  • e. Tensiones térmicas y peligro de explosión cuando no se les da adecuado mantenimiento a causa de las incrustaciones y el gran espesor del casco.

  • f. En la medida que aumenta la presión disminuye el rendimiento.

(Rubio González)

  • Característica del combustible que se utiliza.

Se considera un combustible como aquella sustancia capaz de reaccionar rápidamente con el oxígeno y liberar en dicha reacción de una cantidad significativa de calor. Los combustibles energéticos deben cumplir además con los requisitos de disponibilidad y bajo costo que permitan su utilización a escala comercial. Los principales combustibles energéticos para la generación de vapor son el carbón, derivados del petróleo y el gas natural. En la industria azucarera el bagazo constituye el combustible natural por excelencia para satisfacer las demandas energéticas del proceso de producción de azúcar.

(García San José, Noviembre 2001)

Los combustibles juegan un papel fundamental en el funcionamiento del generador de vapor. Incidiendo directamente sobre el diseño de su superficie de transferencia de calor, método de combustión y otros factores. Este es la fuente de la llama, el quemador es su creador, vigilante y contenedor y la caldera es el equipo que la encierra y trata de extraer de ella todo el fruto en forma de calor.

(Pérez Garay, 1972)

  • Los gases de escape del generador de vapor.

En este trabajo, los gases de escape representan un papel fundamental porque es la fuente utilizada para el precalentamiento del agua de alimentación del generador de vapor.

Reutilizan como agentes de transmisión de calor o fluido caliente, para el calentamiento del aire y otras sustancias de trabajo a través de una superficie de transferencia de calor.

Se obtienen producto de la combustión. Su composición estará en dependencia del tipo de combustible del cual provenga. Los principales componentes son CO2, H2O, N2, CO, SO2 y SO3.

La utilización de gases de escape tiene la particularidad de que cuando estos son enfriados por debajo de la temperatura de condensación del vapor de agua contenido en ellos, tiene lugar la corrosión de la superficie en contacto con los gases debido a la formación de óxido de hierro al combinarse el O2 presente en el agua y el hierro presente en la aleación.

Este proceso de corrosión es acelerado por la presencia del dióxido (SO2) y trióxido de azufre (SO3), que al ponerse en contacto el H2O, da lugar a ácido sulfuroso y sulfúrico (HSO3 y H2SO4) respectivamente de gran agresividad.

La temperatura a la que ocurre la condensación del vapor de agua contenido en los gases de escape se denomina temperatura de rocío. Esto plantea la existencia de una temperatura mínima permisible de la superficie de intercambio para limitar la corrosión de dicha superficie. Esta es una limitante o desventaja en el uso de esta sustancia de trabajo. Otra limitante en el uso de los gases de escape es que se necesitan grandes superficies de transferencia de calor, por convección en los gases, son muy bajos. Además el proceso es de difícil regulación pues la temperatura de los gases es independiente de la presión de trabajo, por lo que no se puede regular el proceso regulando la presión a la cual este ocurre. Existe peligro de incendio en el uso de los gases, pues estos pueden arrastrar partículas de combustible no quemadas en caso de deficiencias en los quemadores, depositándose los mismos a través del conducto de gases, preferentemente en las zonas de menor temperatura, pudiendo inflamarse y provocar un incendio. Debido también a la deposición continua de las partículas de ceniza sobre la superficie metálica se produce el ensuciamiento de la misma, siendo necesaria la limpieza periódica de la superficie de transferencia, lo que provoca el desgaste de esta. Una ventaja de este tipo de fluido es la obtención de un alto calentamiento de la otra sustancia de trabajo, pues los gases son capaces de soportar temperaturas de bajas presiones, por lo que los equipos de transferencia de calor no tienen que ser robustos, disminuyendo su costo por este concepto.

  • El precalentador del agua de alimentación de agua.

El precalentador de agua no es nada más que un intercambiador de calor que aprovecha los gases de escape de la combustión para calentar el agua de alimentación del generador de vapor que pasa por el interior del tubo del mismo.

  • El intercambiador de calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

(Wikipedia, 2015)

  • Clasificación de los intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor pueden clasificarse según como sea:

  • Intercambiadores de contacto directo: son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.

  • Intercambiadores de contacto indirecto: son aquello dispositivos en los que los fluidos no sufren una mezcla física completa.

- Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.

- De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.

Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto: los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido) y los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas).

  • Clasificación de los intercambiadores de calor de superficie

La clasificación más usual de este grupo de intercambiadores, se realiza en base a la dirección relativa de los flujos de ambos fluidos, pudiéndose hablar entonces de cambiadores de flujos paralelos y de cambiadores de flujos cruzados, según sus direcciones sea paralelas en el espacio o formen cualquier ángulo en él.

Los intercambiadores de flujos paralelos, son generalmente utilizados en el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas.

Se denomina intercambiadores de calor de flujos paralelos a aquellos en los que circulan ambos fluidos con direcciones paralelas en el espacio, si además de tener ambos flujos la misma dirección, tienen el mismo sentido, reciben el nombre de "en equicorriente", denominándose en "contracorriente" a aquellos en los que los flujos tienen sentidos contrarios.

Dentro del subgrupo de intercambiadores de flujos paralelos, se emplean entre otros, los denominados "de placas", "de tubo", también llamados "de doble tubo", de "inmersión", "multitubulares" o de "carcasa y tubos".

  • Intercambiadores de carcasa y tubo

El intercambiador de calor de coraza y tubos es el más utilizado en la industria. Está formado por una coraza y por multitud de tubos. Se clasifican por el número de veces que pasa el fluido por la coraza y por el número de veces que pasa el fluido por los tubos.

En los intercambiadores de calor de paso múltiple se utiliza un número par de pasos en el lado del tubo y un paso o más por el lado de la coraza.

En este caso el líquido frío, el agua, entra en el intercambiador de calor, por dentro del tubo, y sale para ser bombeado al generador de vapor. Por fuera del tubo circulan los gases de escape del generador.

CAPITULO II.

Métodos y materiales

  • Descripción de la instalación.

La instalación de vapor ubicada en la empresa embotelladora de cerveza, Princesa se observa a continuación en la figura 2.1 cuenta con dos generadores de vapor (Ver Anexo Fig. A1) de tubos de fuego, de estos solo uno está en explotación, el cual está conectado a una red de tuberías que trasladan el vapor para sus diferentes usos principales, los cuales son:

1. Lavado de las botellas.

2. Pasteurización de la cerveza.

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Leyenda

Tubería Azul: Conduce agua de alimentación.

Tubería roja: Conduce el vapor.

Tubería negra: Conduce combustible.

Fig. 2.1 Esquema de la instalación de vapor de la UEB Embotelladora de cerveza.

  • Eficiencia del generador de vapor.

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(Pérez Garay, 1972)

Donde:

? - eficiencia del generador de vapor en %.

Qutil - calor util en kJ/h.

Qdisp - calor disponible en kJ/h

mv - flujo de vapor en kg/h.

mp - flujo de purga en kg/h.

B - flujo de combustible en kg/h.

ivs - entalpía de vapor saturado en kJ/kg

iaa - entalpía de agua de alimentación en kJ/kg

ip - entalpía de purga en kJ/kg

VCI - valor calórico inferior del combustible en kJ/kg.

Qfc - calor entregado por el calentamiento del combustible en kJ/kg.

Qa - calor entregado por el calentamiento de aire en kJ/kg.

Qva - calor entregado por la atomización del vapor en kJ/kg.

  • Flujo de combustible consumido por el generador de vapor en un día normal de trabajo.

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Sabiendo que: Qutil = mv*(ivs - iaa)

Qin = Monografias.com

-Donde:

B – flujo de combustible

mv - Flujo de vapor a la salida del generador de vapor.

ivs - Entalpía a la salida del generador de vapor.

iaa - Entalpía a la entrada del generador de vapor

Qin - Calor inferior del combustible.

?b – Rendimiento bruto total de la CTE.

  • Flujo de agua de alimentación que llega al generador de vapor.

maa = mp + mv

Donde:

maa – flujo de agua de alimentación en kg/h

mp – flujo de purga en kg/h

mv -- flujo de vapor en kg/h

  • Flujo de purga que se le realiza al generador de vapor.

El flujo de purga para generadores de vapor de baja presión oscila entre (1% y 4%) del flujo de vapor. (Borroto Nordelo & Rubio González, 2007)

mp = 0,02* mv

  • Cálculo del intercambiador de calor.

Para el cálculo del intercambiador solo es necesario calcular la temperatura a la cual saldrá el agua de alimentación y para esto se pone en manifiesto la transferencia de calor donde:

  • Densidad del calor y Calor absorbido por el fluido.

Q = ql*l Q=w*Cp*(tfin-tin)

Donde:

Q — Densidad del calor en kW

ql -- El calor absorbido por el fluido en kW/m

l – longitud de recorrido del fluido en m

w—velocidad del agua en m/s

Cp – poder calorífico del combustible en kJ/kgK

Tfin y in – temperatura final y inical del agua K

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Donde:

tp — temperatura de la pared en ºC

tf — temperatura de la fluido en ºC

h – coeficiente pelicular de transferencia de calor en W/m2oC

dint — diámetro interior de la tubería en m

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Donde:

Re – número de Reynolds

W – velocidad del agua en m/s

V -- viscosidad del fluido en m2/s

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Figura 2.2 Esquema de los flujos cruzados.

CAPITULO III.

Análisis de los resultados

Después de haber planteado las metodologías de cálculo para determinar los flujos de vapor, así como los flujos de combustible antes y después de la utilización del precalentador a la instalación de vapor de la empresa Embotelladora de cerveza, en este capítulo se realizará el cálculo y análisis de los resultados, apoyados también en una valoración económica y medioambiental del trabajo realizado.

A continuación se muestran los cálculos correspondientes a cada una de las metodologías expuestas en el capítulo anterior.

  • Eficiencia del generador de vapor.

Datos:

? - 89 %.

Qutil - 6667400 kJ/h.

Qdisp - 52571.65 kJ/h

mv - 2500 kg/h (1666,67 m3/h)

mp - 50 kg/h (33.33 m3/h)

B - 150 l/h (142,5 kg/h)

ivs - 2780 kJ/kg . (t=1470C, p= 6bar)

iaa - 113,04 kJ/kg

ip - 2754 kJ/kg (t=1470C, p=3bar)

VCI - valor calórico inferior del combustible 38808 kJ/kg (10,78 kWh/kg)

  • Flujo de combustible consumido por el generador de vapor en un día normal de trabajo sin el intercambiador de calor.

B= 142,5 kg/h

Esto dato es un promedio que fue tomado del energético de la empresa.

  • Flujo de agua de alimentación que llega al generador de vapor.

maa = 2550 kg/h

  • Flujo de purga que se le realiza al generador de vapor.

mp= 50 kg/h

  • Cálculo del intercambiador de calor.

  • Densidad del calor y Calor absorbido por el fluido.

Q = ql*l

Donde:

Q — Densidad del calor 8003,66 kW

ql -- El calor absorbido por el fluido 11433,8kW/m

l – longitud de recorrido del fluido 0,7 m

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Donde:

tp — temperatura de la pared 300ºC

tf — temperatura de la fluido 25ºC

h – coeficiente pelicular de transferencia de calor en W/m2oC

dint — diámetro interior de la tubería 0,05m

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Donde:

Re – número de Reynolds = 25322,74 > 2300 entonces el flujo es turbulento.

W – velocidad del agua 0,51m/s

V -- viscosidad del fluido 1,007*10-6 m2/s

Para el régimen turbulento.

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Prf – 5,42

Prp – 0,94

Nu=264,69

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h – coeficiente pelicular de transferencia de calor 264690W/m2oC

Calculando tfin a partir de Q=w*Cp*(tfin-tin)

tfin= 520C

  • Gasto de combustible con la implementación del precalentador.

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Qutil = mv*(ivs-iaa) Qutil= 6405750 kJ/h.

B - flujo de combustible con el uso del intercambiador de calor 144,1 l/h (136,9kg/h)

ivs - entalpía de vapor saturado 2780 kJ/kg . (t=1470C, p= 6bar)

iaa - entalpía de agua de alimentación 217,7 kJ/kg

ip - entalpía de purga 2754 kJ/kg ºC. (t=1470C, p=3bar)

Qdisp - calor disponible 52571.65 kJ/h

? - eficiencia del generador de vapor 89 %.

mv - flujo de vapor 2500 kg/h (1666,67 m3/h)

Tabla 1. Datos del generador de vapor antes del uso del precalentador de agua.

Flujo de vapor de generación (mv)

2500kg/h

Entalpía del vapor saturado (ivs)

2780 kJ/kg

Entalpía del agua de alimentación (iaa)

113,04 kJ/kg

Flujo de purga (mp)

50 kg/h

Entalpía de purga (ip)

2754 kJ/kg

Valor Calorífico Inferior del Combustible (VCI)

38808 kJ/kg (10,78kWh/kg)

Calor útil en la generación de vapor (Qutil)

6667400 kJ/h.

Calor disponible en la generación de vapor (Qdisp)

52571.65 kJ/h

Eficiencia del generador de vapor(?)

89 %.

Flujo de combustible sin el empleo del precalentador (B)

150 l/h

Tabla 2. Datos del generador de vapor después del uso del precalentador de agua.

Temperatura del agua de alimentación

520C

Entalpía del vapor saturado (ivs)

2780 kJ/kg

Entalpía del agua de alimentación (iaa)

217,7 kJ/kg

Calor útil en la generación de vapor (Qutil )

6667400 kJ/h.

Calor disponible en la generación de vapor (Qdisp)

52571.65 kJ/h

Eficiencia del generador de vapor(?)

89 %.

Flujo de combustible sin el empleo del precalentador (B)

144,1 l/h

Ahorro de combustible

5,9 l/h

Ahorro de combustible en un día de trabajo.

1dia de trabajo= 10h

59 l/día

  • Valoración económica.

A continuación se muestra con la implementación del precalentador la cantidad de combustible que se va a ahorrar en un día de trabajo aumentando la temperatura del agua de alimentación por unos grados utilizando los mismos gases de escape de la combustión.

Tabla 3. Ahorro de combustible

Cantidad de combustible

Consumo de Combustible antes del uso del precalentador.

150l/h

Combustible consumido después del uso del precalentador.

146,1l/h

Ahorro diario

Ahorro de combustible

5,9 l/h

Ahorro de combustible en un día de trabajo.

1dia de trabajo= 10h

59 l/día

Ahorro semanal

413 l/semana

Partes: 1, 2

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