calderas.. sesion 2

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CALDERAS DE VAPOR

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CALDERAS DE VAPOR

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» Son equipos diseñados para transferir calor

 producido por combustión,

mediante electricidad, o un fluido determinado, con la finalidad de producir agua

caliente, vapor saturado,vapor sobrecalentado. El cual

es generado a través de unatransferencia de calor a

 presión constante.

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La alimentación del agua al caldero es previamente tratada en un

ablandador para luego pasar por un desairador .( Calderos pirotubulares )

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En estas calderas, el vapor o fuego circulan por dentro de los

tubos; cediendo de esta manera su calor al agua que los rodea

Están diseñados para flujos máximos de 27000 lb/h de vapor 

saturado y sus presiones de trabajo no superan los 15 bar o 15.3

kg./cm 2

.   1 bar = 1,02 kg/cm2

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El agua circula por dentro de los tubos, captando el calor que

 pasan por el exterior. Permiten generar grandes cantidades de

vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura

Se construyen para capacidades

mayores a 27000 lb/h. de vapor.

Permiten obtener vapor a

temperaturas de 350°C y presionesde 25 bar (25.5 kg./cm2 ). La

alimentación del agua al caldero es

 previamente tratada en un

desmineralizador, para luego pasar  por un desairador.

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1 psi = psia   ( lbf /pul2 ; 1 kg./cm2 )

1 atm = 14,7 psia = 14,7 lb/plg2 1.013 bar = 14,7 psi

1 bar = 100 Kpa ; 1 Btu = 1.055 KJ ; 1 Kg = 2.2046 lb ;

1 in = 2.54 cm ; 1 m = 3.28 pie

La presión  psia o  psig. Ambas se miden en unidades de lbf/pul2

La diferencia está en el valor que toman:

psia: expresa la "presión absoluta

psig: mide la presión "relativa" o "manométrica".

Entonces, para convertir   psig en   psia, tenemos que   sumarle

14,7 libras/pulgada cuadrada.

Que las siguientes unidades son equivalentes;

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http://www.youtube.com/watch?v=DfvIid

N3gQg

http://www.youtube.com/watch?v=DfvIidN3gQg

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Según la presión máxima de trabajo de las calderas, éstas se clasifican

en:

- De baja presión, hasta 2 kg/cm2

- De media presión, entre 2 y 10 kg/cm2

- De alta presión, sobre 10 kg/cm2

Se dice que una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera

cuando es capaz de producir 15.65 kg/hr (   34.5 lb/hr) de vapor

saturado de 100 °C (212 °F) utilizando agua de alimentación a la misma

temperatura. 1 BHP = 8441,61 kcal/h.

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Tiene por objeto extraer los gases provenientes de la

combustión y proveer del aire necesario para dicho

proceso. La diferencia de presiones para evacuar los gases

se denomina tiro y puede ser forzado y/o inducido, o bien,natural

Esta circulación se establece gracias a la diferencia de

densidades entre los gases calientes y el aire frío.

Una buena temperatura en los gases de la chimenea estáalrededor de los 200 °C a 250 °C, no menos porque se

producen problemas de condensación en los humos y no

mayor porque se estaría perdiendo calor.

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Es la diferencia entre la presión de la caldera y la presión

atmosférica. El tiro es necesario para el funcionamiento

del hogar de una caldera, con el fin de poderle

suministrar el aire necesario para la combustión del

combustible y arrasar los gases quemados hacia el

exterior a través de la chimenea

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Tiro forzado: Se obtiene "soplando" aire en el interior de los hogares

herméticos debajo de las parrillas y hogares mecánicos.

Tiro inducido: Se consigue con un ventilador centrífugo colocado en los

humerales, entre la caldera y la chimenea.

Tiro natural: Es la diferencia de presión que se produce por efecto de unachimenea. Su valor depende de la altura de la boca de la

chimenea respecto al nivel del emparrillado del hogar y de la

diferencia media de temperatura entre la de los gases quemados

contenidos en la chimenea y la del aire exterior.

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= calor sensible + calor latente

El calor de vaporización es la cantidad de calor necesario para convertir

1 lt de agua a Temp. Ambiente, a la presión atmosférica en VAPOR SECOmayor a 100 °C. Esta transformación se lleva a efecto en dos etapas:

En la primera se entrega calor al líquido para elevar su temperatura

desde Temp. amb a 100 °C (temperatura de saturación), esta cantidad

de calor se conoce como calor sensible o entalpía del líquido.

En la segunda etapa, es necesario una cantidad de calor para convertirel Vapor(evaporación) en Vapor seco   (temperatura de

Sobresaturación), cantidad de calor que se denomina calor latente o

entalpía de vaporización.

Se llama calor específico a la cantidad de calor necesario para calentar

1 kg. de una materia en 1 grado.

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Es el vapor que se produce cuando se calienta el agua a una presión

constante. Conociéndose la temperatura de ebullición del agua como

la temperatura de saturación.

Se dice que un vapor es sobresaturado cuando su temperatura es

superior a la temperatura de ebullición, aumentando paralelamentesu presión.

Debemos recordar que para cada valor de presión corresponde un

valor de temperatura de saturación

También llamado fogón, es el espacio destinado a quemar el

combustible

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El contenido de calor del agua o del vapor, se le conoce como entalpia,

representadas por  h   en tablas de vapor y formulas.

Entalpia del liquido saturado (hf ), es la cantidad de calor requerido

para elevar la temperatura de un Kilogramo de agua de 0 °C a la

temperatura de saturación. A esta propiedad se le llama también

calor sensible o calor del liquido.

Entalpia de evaporación (hfg), es la cantidad de calor requerido para

transformar un Kilogramo de agua a la temperatura de saturación,

en vapor seco y saturado a la misma temperatura. También se

llama calor latente vaporización.

Entalpia del Vapor Saturado (hg), es el calor requerido para cambiar

un kilogramo de agua a 0 °C en vapor seco y saturado; se obtiene

de la suma de las entalpias de liquido saturado y de evaporación.

También se conoce como calor total del vapor.

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Volum. de Vap. Saturado   Entalpia de Vap. Saturado

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v = vf  +   x * vfg.

Vf : Volumen específico Liquido Saturado.

Vfg :Volumen especifico de vaporización = Volumen

especifico Vapor Saturado (Vg)

h = hf  +   x * hfg.

hf : Entalpia de Liquido Saturado.

hfg : Entalpia de vaporización

hg : Entalpia de Vapor Saturadoh = Entalpia de Vapor Húmedo

X = Calidad del Vapor.

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Complete la siguiente tabla para el agua

T

°C

P

kPa

h

kJ/kg

x

? 325   ?   0,4

160   ?   1682   ?

Solución.

De las Tablas termodinámicas del Vapor de agua Saturado para P = 325 Kpa;

se observa:

P,Kpa   hf ,KJ/Kg

316,3 ----- 589,13

325 ----- X

415,4 ----- 610,63

 X-610.63

589.13-X 

325-415.4

316.3-325   Kg  Kjh f   /01.591

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P,Kpa   hg,KJ/Kg

316,3 ----- 2733,9

325 ----- X415,4 ----- 2740,3

 X-2740.3

2733.9-X 

325-415.4

316.3-325

 Kg  Kjh g  /46.2734

Calculamos la entalpia de Vapor Saturado. (hg)

Sabemos que la Entalpia del Vapor Saturado (hg), : hg = hf  +  hfg

hfg   = hg - hf    hfg = 2734.46 -   591.01   hfg =2143.45 Kj/Kg

Calculamos que la Entalpia del Vapor Húmedo (h), : h = hf  +  X *  hfg

h = 591.01 + (0.4) * (2143.45)

para P = 325 Kpa; se observa: hf = 591.01 Kj/Kg ;   hfg = 2143.45 Kj/Kg ; hg  = 2746.46 Kj/Kg

h = 1448,39 KJ / Kg

Para verificar el resultado se comprueba

que h esta comprendido entre  hf  y hfg

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Para el enunciado (b).En las Tablas termodinámicas del Vapor de agua Saturado para T = 160  °C; se

observa:

Psat = 617.8 kPa ; vf  = 0,0011020 m3 /kg. ; vfg = vg = 0.3071 m3 /kg

hf = 675.55 Kj/Kg ; hg  = 2758.1 Kj/Kg

Sabemos que la Entalpia del Vapor Saturado (hg), : hg = hf  +  hfg

hfg = 2758.1 -   675.55   hfg =2082.55 Kj/Kg

Calculamos la Calidad del Vapor: (h) : h = hf  +  X *  hfg

1682 = 675.55 + ( X ) * (2082.55)

X = 0.483 KJ / Kg

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.

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EQUIPOS N° Tipo de Vapor Presión (psia) Consumo (lb/hr)

Marmita 2 Saturado 80 4500

Autoclave1 Saturado

115 6200Intercambiador de Calor 3 Saturado 120 12500

Columna Destilación 2 Saturado 130 24600

TOTAL

47800

(Masa de vapor

Máximo)

1. Presión de Operación:

2. Presión de Diseño:

ñ = ó   ∗ .

135 psia

CALDERO

Efici: 80 %

(Caída: 5 psi)

(Vap. Sat: 47800 lb/hr)

(Presión: 130 psia )PROCESO

.  =

ñ.=  . ∗ .

ñ. =  psia

TotalCalor

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3. Capacidad del Caldero en HP  HPFactor**Eficiencia

TotalCalorCapac

 

 calorificoPoder

TotalCaloreCombustibl  

4. Calor Total de operación del Caldero

5. Consumo de Combustible:

 *Q    Vapor m

6. Calor sensible del Combustible (Qc) Qc = * T°c

7. Calor del fluido de entrada (Qfe)      =    ∗  

mc

Donde:

Cc   = Calor específico del combustible [kcal]

Tc = Temperatura de precalentamiento del combustible (°C)

Donde:

hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg] ---- Btu/lb

Ca = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h)mc  = Cantidad de combustible, quemado o consumido por hora, en peso Kg/hr o Lb/hr

Calor Latente de Vapor Saturado o Coeficiente de Transmisión de Calor: 

 

TotalCalor

masaVapor   

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)(** 0T T C mQ   f   pSensible  

9. Calor por purgas (Qp)

Donde:

= Caudal de purgas en kg/h

hpurg = Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía de líquido para

la presión de generación de vapor.

mc   = Cantidad de combustible, quemado o consumido por hora, en peso Kg/hr o Lb/hr

c

 purgas

 Purgas

m

hQ

*  

10. Calor Sensible

8. Calor del fluido de salida (Qfs)    =    ∗

Donde:

hfs   = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg) ---- Btu/lbPvapor   = Producción de vapor (kg / h)

mc = Cantidad de combustible, quemado o consumido por hora, en peso Kg/hr o Lb/hr

m = Caudal másico del fluido Kg/seg

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11. Capacidad calórica : Q (kJ/ h) o Calor Latente

Es el consumo real de agua o producción de vapor (mv) y la energía

(entalpía) del agua a la entrada (liquido sub-enfriado y a la salida vapor

sobrecalentado), podemos decir que es la cantidad de energía

necesaria para vaporizar o condensar una cantidad de fluido.

Q  = mV * (hg   –   hf )   =   Q  = mV * ( hfg )

Donde:Q   = cantidad de calor que se está transmitiendo al fluido por hora en

Kcal. o Btu/h.

hV   y  hL   = Son las Entalpias que se obtienen de las T .V .S.

Hfg = Entalpia de Vaporización.

La eficiencia del Caldero es llamada como:

eficiencia del Combustible/ Vapor

Efic.de Caldera =

Eficiencia de combustión - Pérdidas por radiación/convección - Pérdida por Purga

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n =

 ∗   −  

 ∗

Donde:

»   mV = Producción de vapor [kg/h]

»   hg = Entalpía del vapor a la salida [kcal/kg]

»   hf  = Entalpía del fluido o agua a la entrada [kcal/kg]

»    = Consumo de combustible quemado por hora en peso Kg/hr

»   P.C.I  = Poder Calorífico Inferior del combustible [kcal/Kg]

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eCombustibl el oporcionaqueCalor 

elagua por UtilizadoCalor 

istrdaSu Energia

aaprovechad  Energiandio Efic Pr min.Re.  

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La operación de purga consiste en extraer  sólidos disueltos y en suspensión de

la caldera,  ya que al vaporizarse el  agua aumenta  la  concentración de estos

sólidos.

El   agua  evacuada   en   las   purgas   de   las  calderas   de   vapor   está   a  elevada

temperatura y presión. El calor  contenido en el agua de purgas se recupera   de

la siguiente manera:

Donde:

Q = Calor recuperado del condensador o purga

n = Rendimiento de la caldera

PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible

  =   ñ

∗   .

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Siempre que exista una fuga de vapor  se tendrá una pérdida energética. Para

poder  realizar  un ahorro energético en este aspecto habrá que localizar  y eliminar las fugas de vapor  existentes.

El caudal de vapor  que sale por  un orificio viene dado por  la expresión:

 =  ∗ ∗   ( + )

Donde:

Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h]

d = Diámetro del orificio [mm]

P = Presión manométrica del vapor [kg/cm2]

K = Coeficiente de valor 0,35 - 0,45

  = ∗  

. ñ

Donde:

Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h]

H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año]

X = Producción específica de vapor [kg vapor]

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CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE

» Consiste en aplicar el principio de conservación de la masa y de la

energía a una Caldera o Generador de Vapor.» Su objetivo es cuantificar las energías (o flujos de calor) que

entran y salen del equipo, permitiendo evaluar la importancia

relativa de cada una de ellas.

» En

un

balance

térmico

se

debe

considerar

las

ganancias

y

perdidas

de

energía

como

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»   En un balance térmico se debe considerar   las ganancias y perdidas   de energía, como

algunas perdidas de calor que no están vinculadas  a una masa de flujo másico.

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1.- En una planta industrial opera una columna de destilación que consume vapor vivo a

razón de 340 000 Btu/hr y un reactor que consume 160 000 Btu/hr. El vapor proviene de

un caldero a 150 psia a la temperatura de 230 °F. La tubería que transporta el vapor es

de 2 pulgadas la cual tiene una longitud total de 150 pies y este dispone de aislamiento.

Determinar:a) El tipo de caldero; el tamaño (HP).

b) ¿Qué cantidad de masa de vapor por hora, necesitan la columna de destilación y el

reactor juntos?

Mg. LUIS R. LARREA COLCHADO

[email protected]

Solución: Tubería: 2 pulg ; Longitud: 150 pies ; Eficiencia: 85

Caldero: Presión operación: 150 psia ; Temp: 230  F ; Calculamos el Calor Latente (λ)

de Vapor Saturado relacionado con la Presión de Operación del Caldero

P,psia   λ, Btu/lb

145 ----- 865150 -----   X

155 ----- 861

 x-861

865-X 

150-155

145-150

lb Btu /863  

x-861

865-X 

5

5

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 HPFactor**Eficiencia

TotalCalorHP

 a) Calculamos los HP del caldero:

 

1

/5.34*863*0.85

Btu/hr 500000apacidad

 HP 

hr lb

lb

 Btu

 HP Capac 20.

  El tipo de caldero que se recomienda es el Piro tubular

de Vapor Saturado

b) Calculamos la cantidad de masa de vapor por hora, que necesitan los equipos:

 TotalCalor

masaVapor  

 /863

Btu/hr 500000asaVapor 

lb Btu

  hr lbmasaVapor  /37.579

2 U ld d b l i d i l 34500 lb/h d b

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2.- Un caldero debe proveer en una planta industrial 34500 lb/hr de vapor para abastecer a

los sistemas de calentamiento y evaporación. La máxima presión que recibe uno de los

equipos es de 90 psia. Para cubrir estas necesidades el caldero opera holgadamente con

una eficiencia del 75 % , utilizando como combustible diesel 2. Determinar:

a) La capacidad del caldero en HP.

b) Si la combustión opera al 95 %, cuál será el Consumo de combustible en lb/hrc) Que cantidad de combustible necesitara el caldero, si usara como combustible carbón de

una capacidad calorífica de 14500 Btu/lb, operando al 95 %

d) Si se alimenta al caldero 26500 lb/hr de agua blanda a 200 °F y 8500 lb/hr de vapor

condensado que retorna de los intercambiadores de calor a 212 °F ¿Qué cantidad de

calor necesitaría el caldero para producir vapor operando al 100 % de eficiencia?

Solución: Eficiencia: 75 ;

Eficiencia

PresiónP maxoperac.  

  psia1200.75

90Poperac.  

Calculamos la Presión de

Operación del Caldero:

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a) Calculamos la capacidad del Caldero en HP: Por tablas de vapor @ 120 psia

calculamos λV

P,psia   λ, Btu/lb114.7 ----- 880

120 -----   X

125 ----- 875.4

 x-875.4

880-X 

120-125

114.7-120

lb Btu /878 

Btu/hr 30291000 lb

Btu878*34500Q  

hr 

lb

Calculamos el Calor Total en Btu/hr:

 HPFactor**Eficiencia

TotalCalorCapacidad

 

 HP Capacidad  1333

 34.5*878*0.75

30291000Capacidad  

 *Q    Vapor m

Calculamos la Capacidad del Caldero:

) C l l l d b ibl lb/h

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b) Calculamos el consumo de combustible en lb/hr:

Poder calorífico del DIESEL 2 : 18500 Btu/lb ; también sabemos que el caldero

opera al 75 % y existe una combustión del 95 %

 calorificoPoder

TotalCaloreCombustibl  

 75.0Btu/hr 30291000Q   Btu/hr40388000Q  

 /18500

Btu/hr 40388000eCombustibl

lb Btu

lb/hr229895.0

13.2183Combust.  

Poder calorífico del Carbón: 14500 Btu/lb/14500

Btu/hr 40388000eCombustibl

lb Btu

lb/hr2932

95.0

37.2785Combust.  

c) Calculamos el consumo de Carbón combustible en lb/hr:

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Calculamos el Calor Latente del Condensado que retorna del Intercambiador a

212 °F ----- λV

: 970.3 Btu/lb

 *mQ Latente  

lb

 Btu

hr 

lbQ 3.970*8500 Btu/hr8247550Q

Calculamos la cantidad de calor que necesita el caldero

operando al 100 % de eficiencia:

Btu/hr26030950Q AguaelVaporizarPara  

Btu/hr8247550Q

Btu/hr34278500Q  

Un planta química tiene un caldero acuotubular de 150 psi de presión que produce 15 000

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Un planta química tiene un caldero acuotubular de 150 psi de presión que produce 15 000

lb/hr de vapor de agua. El agua de alimentación al caldero proviene del deaireador al cual

ingresan dos corrientes. Una de condensado que retorna al proceso y otra de agua de

reposición (make up) que viene del ablandador. Según análisis de laboratorio, el agua blanda

tiene 170 ppm de sólidos y se recomienda que en el caldero estos sólidos no se concentren a

cantidades que excedan el máximo permisible 3500 ppm de solidos. Para mantenerinalterables los sólidos concentrados en el caldero, se tiene que purgar hora por hora los

fondos del caldero. Determinar: Cuantas libras se purga por hora en el caldero.

Calculamos el flujo de alimentación:Balance de Solidos: F * X

F

=

P * X

P

F * 170 = P * 35003500

170* F  P  

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E l d d l d ld d d l

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EQUIPO Calor, Btu/hr Temp. °F Presión, psia

Marmitas   7 876 700 397 240

Calentadores   7 589 400 300 76

Evaporadores   10 185 000 212 14.7

En una planta de productos lácteos se requiere de un caldero para producir vapor saturado, con la

finalidad de alimentar vapor a los siguientes equipos:La caldera debe operar a 85 % de eficiencia. Su alimentación consiste de vapor condensado que

retorna de los calentadores y evaporadores, con pérdidas en las tuberí as de 5 % por fugas. El agua

de reposición proviene de un intercambiador iónico y es previamente calentado a 200  °F antes deingresar al caldero. El combustible que se usa es petróleo bunker #6. Determinar

• Capacidad del caldero en HP.

• Tipo de vapor y caldero que se necesita.

• Lb/hr de vapor que produce el caldero seleccionado.

 Lb/hr de combustible que consume el caldero.

Calor Total: 25651100 Btu/hr

TotalCalora) Calculamos la capacidad del Caldero en HP:

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 HPFactor**Eficiencia

TotalCalorHP

 

a) Calculamos la capacidad del Caldero en HP:

Por tablas de vapor @ 282.35 psia Calculamos λV

 

**0.85

25651100Capacidad

1

/5.34

 HP 

hr lb 

Calculamos la Presión de Operación:

Eficiencia

PresiónP maxoperac.  

 0.85

240Poperac.

   35.282Poperac.

  psia

lb Btu /84.814 

 *84.814*0.85

25651100HP

1/5.34

hr Btu

 HP hr lb

lb Btu

  HP 48.1073Capacidad  

b) Tipo de Caldero y Vapor que se necesita:

Se recomienda un caldero Acuotubular y de Vapor Saturado.

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c) Calculamos el Vapor que produce el caldero seleccionado en lb/hr :

 calorificoPoder*Eficiencia

TotalCaloreCombustibl  

lb/hr1611Combust.

 *

TotalCalormasaVapor 

eficiencia   

85.0*5.828

25651100masa hr 

Btu

Vapor 

lb Btu

Por tablas de vapor @ 240 psia calculamos λV

lb Btu /5.828 

 /36425masaVapor    hr lb

d) Calculamos el consumo de combustible del Caldero en lb/hr :

Poder calorífico del Petróleo Bunker: 151700 Btu/cal ; también sabemos que el

caldero opera al 85 %

 *151700*0.85

25651100eCombustibl

098.8

1hr Btu

lb

cal 

cal  Btu

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