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I. ANÁLISIS ENERGÉTICO Y DETERMINACIÓN DE LA E F I C IE IE N C I A D E U N A C A L D E R A 1. OBJETIVO
Determinar la eficiencia energética de una caldera acuotubular aplicando el método indirecto, según la norma NTP 350.300.
2. EQUIPOS A EMPLEAR Se utilizará la caldera de la planta térmica del laboratorio de energía de la PUCP, la cual es de tipo acuotubular - horizontal, marca Bryan Boilers, modelo LCM-150 según las siguientes características:
Número de pasos: 6 Capacidad de producción: 1237 lb/h (Vapor a 100°C) Presión de trabajo:140 psi Potencia nominal: 36 BHP. Combustible: Diesel 2
Fig.1: Caldera Bryan Boilers de la Planta Térmica.
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3. INSTRUMENTACIÓN Termocuplas de superficie. Cinta métrica. Analizador de gases de la marca Testo. Opacímetro de la marca Testo. Manómetro de Bourdon. Contómetros volumétricos Cronómetro Sensores de temperatura Transductores de presión manométrica Sensor de flujo tipo vortex Termómetro y barómetro.
4. FUNDAMENTOS TEÓRICOS: 4.1. Método directo
4.2. Método indirecto
∙∆ℎ η = ∙̇ ̇
La NTP 350.300 determina la eficiencia de una caldera según el método indirecto, es decir, evalúa las pérdidas de energía de la caldera en operación.
Donde:
η = 1− ̇̇
̇: Calor debido a las pérdidas ̇: Calor aportado por el combustible El calor debido a las pérdidas se descompone en seis formas de calor, según la NTP. ̇ : Calor perdido por gases secos. ̇ : Calor perdido por entalpía del vapor de agua en los gases. ̇ : Calor perdido por inquemados gaseosos. ̇ : Calor perdido por inquemados sólidos. ̇ : Calor perdido por convección. ̇ : Calor perdido por radiación. Para realizar el cálculo de las pérdidas, se define el valor porcentual de pérdidas: P = 1001 × ̇ ̇
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Así, la eficiencia de la caldera se determina según la siguiente expresión:
η = 100−(P −P2 −P3 −P4 −P5 −P6)
Cada una de estas pérdidas porcentuales se detallan en el punto 7 de la norma, por tanto es imprescindible su revisión 1. 5. PROCEDIMIENTO 5.1. Pruebas a Realizar
Método directo: Para la máxima presión de trabajo (10 barg) y un tiempo de operación de 30 minutos de la caldera, se deben realizar las mediciones: Consumo de combustible en los contómetros de flujo volumétrico. Suministro y retorno. Flujo másico de vapor generado por la caldera Temperatura del agua de alimentación Presión del agua de alimentación Temperatura del vapor generado Presión del vapor generado
Método indirecto: Para la máxima presión de trabajo (10 barg) y un tiempo de operación de 30 minutos de la caldera, se deben realizar las mediciones requeridas por la norma NTP 350.300: Temperatura de gases de combustión a la salida del equipo. Concentración de oxígeno en gases de combustión. Concentración de monóxido de carbono en gases de combustión. Temperatura de la superficie que cubre al fluido de trabajo. Temperatura de la superficie que cubre a los gases de combustión. Índice de Bacharach Temperatura del aire alrededor de la caldera Velocidad del viento
5.2. Antes del Ensayo
Revisar la Norma NTP 350.300 que será entregada por el Jefe de Práctica.
5.3. Durante el Ensayo
1
Se realizarán 3 mediciones cada 10 minutos, las mediciones se centran en los gases de escape y la superficie de la caldera. Para los gases de escape se trata de medir la composición química con un analizador de gases y para la superficie de la caldera se
Fe de erratas de la norma NTP 350.300:
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medirá la temperatura superficial de la zona de gases de escape y de la zona de fluido de trabajo2.
Para la medición con el analizador de gases, se debe encender la consola del analizador, insertar la sonda en la chimenea de la caldera y presionar el botón PUMP. Esperar a que estabilice la medición, presionar PUMP STOP y tomar los siguientes valores: Temperatura de gases de combustión a la salida del equipo. Concentración de oxígeno en gases de combustión. Concentración de monóxido de carbono en gases de combustión. Para medir el índice de Bacharach se utilizará un opacímetro, que se debe colocar en la chimenea de la caldera y será manipulada por el Jefe de Práctica.
Para la medición de la temperatura superficial, se considerarán cinco puntos en cada cara de la caldera, tanto para la zona de gases como para la de fluido de trabajo. Se debe medir también las dimensiones de la caldera para determinar el área de la zona de gases de escape y fluido de trabajo. La velocidad del viento, es casi nula dentro de la planta térmica, así que se considerará un valor estándar de 0.5 m/s para ambientes ventilados. La temperatura ambiental se medirá con el termómetro de mercurio colocado dentro de la planta térmica.
5.4. Precauciones Dur ante el Ensayo
2
Notar que una caldera es un equipo que presenta superficies calientes, por tanto se requiere mucha atención al momento de realizar las medidas. Las mediciones de temperatura en la cara superior de la caldera, la debe realizar el jefe de práctica.
La zona de fluido de trabajo se refiere a la z ona donde se genera el vapor.
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6. HOJA DE DATOS PARÁMETROS Condiciones Ambi entales: Temperatura Velocidad del viento Gases de Escape: Temperatura Concentración de O 2 Concentración de CO Índice de Bacharach Zona del fl uido de trabajo: Largo Ancho Alto Zona de los g ases de escape: Largo Ancho Alto
Símbol o
Unid ad
Ta v
°C m/s
Tg [O2] [CO] B
°C
Lv Av Hv
m m m
Lg Ag Hg
m m m
Hc Pc
m m
-
Chimenea: Alto Perímetro
1
2
3
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Techo (F.T.)
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
T1 T2 T3
Cara lateral 1 (F.T.) T1 T2 T3 Tpromedio
Cara lateral 2 (F.T.) T1 T2 T3 Tpromedio
Cara lateral 3 (F.T.) T1 T2 T3 Tpromedio
Cara lateral 4 (F.T.) T1 T2 T3 Tpromedio
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Chimenea (G.C.)
Zona 1
Zona 2
Zona 3
T1 T2 T3
Cara lateral 1 (G.C.)
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
T1 T2 T3 Tpromedio
Cara lateral 2 (G.C.) T1 T2 T3 Tpromedio
Cara lateral 3 (G.C.) T1 T2 T3 Tpromedio
Cara lateral 4 (G.C.) T1 T2 T3 Tpromedio
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PARÁMETROS Agua de alimentación: Temperatura Presión Vapor generado: Temperatura Presión Flujo másico Consumo de combustible: Volumen suministrado Volumen retornado Tiempo
Símbol o
Unid ad
T a,i Pa,i
°C kPa
T v,s Pv,s
°C MPa kg/s
Vi Vs t
L L L
̇
1
2
3
7. CÁLCULOS
Llenar la Hoja de Datos, según el Anexo B de la NTP 350.300. Realizar los cálculos correspondientes a las seis pérdidas de energía que considera la norma y determinar la eficiencia energética de la caldera (Revisar el punto 7 de la norma NTP350.300 correspondiente a “Determinación de la eficiencia” ) Presentar la hoja de resultados, según el Anexo C de la norma. Determinar la eficiencia de manera directa. Comparar los resultados. Realizar una breve investigación sobre el valor típico de eficiencia de una caldera acuotubular y compárelo con sus resultados.
8. BIBLIOGRAFÍA:
INDECOPI 2002
Calderas Industriales: Procedimiento para la determinación de la eficiencia térmica de calderas industriales. Norma Técnica Peruana, NTP 350.300.Edición 1, Lima.