ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA ACUOTUBULAR Y SU EFICIENCIA Asprilla, M. 313002, 313002, Hurtado, C. 414519, 414519, Palomino, Palomino, A. 313049, 313049, Paredes, A. 414034, 414034, Angarita, A. 313001. 313001.
Resumen Palabras Palabras Clave: Eficiencia Energética, Pérdidas de calor,
Introducción El desarrollo de la caldera se logró cuando James Watt 1 observó que el vapor podría reemplazar la fuerza motriz que era generada por animales o por fuerza manual, dando lugar a la primera máquina de vapor de agua. Watt logró esto recopilando estudios anteriores y realizando mejoras en la máquina de vapor atmosférico propuesta por Thomas Newcomen 2, quien trabajó a partir de las máquinas propuestas anteriormente, una de ellas es la máquina de vapor que se le atribuye a Eduard Somerst en 1663, que generó un prototipo denominado Vauxhall en 1665 en Londres, este proyecto tenía como propósito elevar el agua de los pisos superiores de la construcción. De todas maneras Somerset no pudo recaudar los capitales suficientes para vender o producir su máquina. Por esto, probablemente, el hecho de que su invención fue atribuida a Thomas Savery, obteniendo sobre esta máquina de vapor una patente en 1668. También cabe resaltar el aporte hecho por Dionisio Papin que construyó la primera caldera pequeña que fue llamada marmita 3 en 1769. Finalmente el primer paso en el desarrollo de las centrales eléctricas (producción de energía) fue dado por la construcción de la central Peral Street, por el gran inventor Thomas Alva Edison en en 1880 (Milla, (Milla, 2007). Desde los primeros inicios el desarrollo de las calderas ha estado enfatizando a mejorar el aprovechamiento térmico, las primeras calderas tenían grandes inconvenientes en el aprovechamiento del calor del combustible, ya que los gases calientes solo estaban en contacto con su base perdiendo gran parte del calor generado. Para superar éste limitante la industria empezó a incorporar tubos para aumentar la superficie de calefacción generando la primera clasificación, clasificación, acuotubulares si el fluido f luido de trabajo se transporta por los tubos (Introducidas (Introducidas en Peral Street por Edson) Edson) y pirotubulares pirotubulares si los tubos transportan transportan los gases calientes producto de la combustión. Según Vosough & Mostafagoodarzi (2011), después de este logro se volvió muy importante el concepto de ahorro de recursos energéticos, ahora la tendencia en la industria es el aprovechamiento óptimo de la energía y para esto busca encontrar la mayor eficiencia con
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(Greenock, Escocia, 19 de enerojul./ 30 de enero de 1736 greg.-Handsworth, Inglaterra, 25 de agosto de 1819) fue un ingeniero mecánico e inventor escocés. Las mejoras que realizó en la máquina de Newcomen dieron lugar a la conocida como máquina de vapor de agua, que resultaría fundamental en el desarrollo de la primera Revolución Industrial Industrial
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Herrero e inventor nació en Dartmouth, Devon, Inglaterra. Es frecuentemente citado como el padre de la revolución industrial como su primer innovador y empresario. En 1712 Newcomen, con su socio Thomas Savery, construyó una máquina de vapor atmosférica utilizada para bombear agua fuera de las minas de carbón y estaño existentes en la zona nativa de Newcomen, en el suroeste de Inglaterra, particularmente en Cornualles.
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Se usó vapor para m over la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo, ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse, ésta dejaba de producir trabajo útil.
el mínimo de emisiones posibles, esto se puede lograr a partir de controles en los procesos de combustión (el control del exceso del aire, del suministro eléctrico de la central, etc). En las calderas la eficiencia del sistema termoenergético depende de las pérdidas que se dan por convección y radiación con el medio exterior, la purga, la pérdidas en los gases de combustión, entre otras (Vidal, 2013). De aquí la importancia de evaluar la eficiencia desde los procesos de combustión y el combustible que se va a emplear para obtener el máximo aprovechamiento del sistema. Para toda la industria azucarera el cumplimiento legal de la normativa de emisiones (Resolución 760 y 909 impuestas por el Ministerio del medio ambiente) en el que se estipula que no deben exceder el umbral permitido (300 mg/m3) en el proceso llevado a cabo por calderas para la generación de energía eléctrica, siendo el punto focal el tipo de combustible utilizado para este proceso, reduciendo o aumentando la cantidad de emisiones, basado en esto el presente informe pretende analizar 4 tipos de combustibles utilizados para el funcionamiento de una caldera acuotubular que tiene el fin de someter agua a un proceso de calefacción para la generación de energía eléctrica, mediante un ciclo Rankine. El objetivo de esta revisión es presentar un análisis termodinámico del funcionamiento de una caldera acuotubular y la incidencia del tipo de combustibles en la eficiencia, usando biogás, diesel (gasóleo tipo c), carbón de antracita y gas natural.
Marco Teórico Caldera La caldera es una máquina generada por la ingeniería , que fue diseñada para producir vapor. Este vapor se forma a través de la transferencia de calor a presión constante , en el cual el fluido entra o es originalmente un líquido que luego se calienta y cambia de fase. Es un recipiente que debe soportar presiones, por lo cual es construido con acero laminado. El objetivo de la caldera es la transformación del agua a temperatura y presión ambientes, en vapor de agua a una presión y temperatura mayor, partiendo de la energía del combustible utilizado (Jiménez, 2007). Esta fue empleada cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que reemplace la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias. La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776, inicialmente fue empleada como máquina para accionar bombas de agua, de cilindros verticales; fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa el siglo actual. Atendiendo, a la morfología de las calderas, estas se pueden clasificar en: calderas de fundición que como indica su nombre el material del que están hechas estas calderas es una aleación de hierro y más de un 2% en masa de carbono. La fundición, es un material quebradizo y no soldable, por lo que las presiones de operación de este tipo de calderas serán menores que las de acero. Lo habitual son gases de la combustión a presión
atmosférica, área de intercambio pequeña, poca pérdida de carga en los humos y por tanto de tiro natural. No generan vapor, únicamente agua caliente. Caldera de acero donde el material del que se hacen estas calderas es una aleación de hierro y carbono (acero) (Mier, 2013). Las calderas industriales de acuerdo a su diseño puede ser clasificadas en acuotubulares y pirotubulares indicando la posición relativa de los gases de combustión con respecto al fluido que está siendo calentado (Meza, 2005). Sin embargo, pueden ser clasificadas desde otros aspectos, que incluyen, por el tipo de materiales de que están construidos, por su aplicación, por la forma de toma de aire, por el tipo de combustible que utilizan, por la presión con que operan o por el fluido portador de calor que emplean.
Pirotubulares: Como su nombre lo indica, en esta caldera el humo y los gases
calientes circulan por el interior de los tubos y el agua se encuentra por el exterior. Estas calderas también son denominadas también igneotubulares o pirotubulares y pueden ser verticales u horizontales.Su rendimiento está entre un 70% y un 80% (Mier, 2013).
figura 1. Caldera pirotubular. Fuente:http://www.todoencalefaccion.com/calderas-pirotubulares/ Se caracterizan por disponer de tres partes bien definidas: ●
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Una caja de fuego donde va montado el hogar. Esta caja puede ser de sección rectangular o cilíndrica, es de doble pared, por lo que el hogar queda rodeado de una masa de agua. Un cuerpo cilíndrico atravesado, longitudinalmente, por tubos de pequeño diámetro, por cuyo interior circulan los gases calientes. Una caja de humos, que es la prolongación del cuerpo cilíndrico, a la cual llegan los gases después de pasar por el haz tubular, para salir hacia la chimenea. Estas calderas trabajan, casi siempre, con tiro forzado, el cual se consigue mediante un chorro de vapor de la misma caldera o utilizando vapor de escape de la máquina.
Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso, se les instala un estanque de expansión que permite absorber las dilataciones del agua. En el caso de las calderas de vapor poseen un nivel de agua a 10 o 20 cm sobre los tubos superiores. Las calderas pirotubulares se clasifican de acuerdo a la ubicación de su haz tubular en:
Calderas horizontales: el haz tubular está dispuesto de la parte delantera a la trasera de la caldera.
Calderas verticales: el haz tubular está dispuesto de la parte inferior a la parte superior de la caldera.
Ventajas: ● ● ●
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Menor coste inicial, debido a la simplicidad de diseño en comparación con las acuotubulares de igual capacidad. Mayor flexibilidad de operación, ya que el gran volumen de agua permite absorber fácilmente las fluctuaciones en la demanda. Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación porque las incrustaciones formadas en el exterior de los tubos son más fáciles de atacar y son eliminadas por las purgas. Facilidad de inspección, reparación y limpieza.
Desventaja: ● ● ● ●
Mayor tamaño y peso que las acuotubulares de igual capacidad. Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. Gran peligro en caso de exposición o ruptura, debido al gran volumen de agua almacenado. No son empleadas para altas presiones.
A cuotubulares : las calderas acuotubulares se componen de tubos y domos; los tubos que sirven para interconectar los domo, quedan localizado invariablemente en la parte exterior con relaciona esto. los domos tienen la misión de almacenar agua y vapor; y ya que no necesitan tener ninguna superficie tubular de calefacción, pueden fabricarse en muchos menores diámetros que los cilindro de las calderas de tubos humo y, por consiguiente pueden construirse para soportar presiones más altas. las calderas acuotubulares pueden ser del tipo de tubo recto o del tipo de tubos curvos. los diferente modelos de calderas de tubos curvados, con mejores características de presión y temperatura, han ido desplazando gradualmente a la caldera de tubos rectos en los servicios de alto rendimiento, de manera
que en la actualidad este tipo de caldera se ha generalizado en la industria productora de fuerza (chaves 2013)
figura 2.Caldera acuotubular. fuente: http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/acuotubular
El funcionamiento de calderas acuotubulares basan principalmente en el principio de la transformación de vapor y agua. En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura. A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.
Ventajas de calderas acuotubulares: • La Caldera de tubos de agua tiene la v entaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi. • Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP. •Por su fabricación de tubos de agua es una caldera “INEXPLOSIBLE”. La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad. • El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos. • Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas. •Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática. • Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel. • Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.
• El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.
desventaja de calderas acuotubulares: •Su coste es superior •Deben ser alimentadas con agua de gran pureza, ya que las incrustaciones en el interior de los tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos. •Debido al pequeño volumen de agua, le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de vapor, siendo necesario hacerlas funcionar a mayor presión de la requerida.
FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA EN UNA CENTRAL ELÉCTRICA las centrales térmicas convencionales o clásicas. Nos referimos mediante este término a las centrales que utilizan combustibles fósiles como materia prima, es decir, carbón, fuel y gas natural. En términos de producción de energía eléctrica, la única diferencia entre las centrales nucleares y las térmicas convencionales es la manera de generar el vapor para activar las turbinas. En las centrales nucleares el calor se produce por la fisión nuclear en un reactor, mientras que en las centrales convencionales el vapor se genera por la combustión del carbón o de derivados del petróleo. En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuelóleo) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fueloleo o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado. En el caso de una central térmica de carbón, el combustible se reduce primero a un polvo fino y se bombea después dentro del horno por medio de unos chorros de aire precalentados. Si es una central térmica de fuelóleo, el combustible es precalentado para que fluidifique e inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de derivados del petróleo. Finalmente, si se trata de una central térmica de gas, tenemos otro tipo de quemadores específicos. En definitiva, la energía liberada durante la combustión en la cámara de la caldera, independientemente del tipo de combustible, hace evaporarse el agua en los tubos de la caldera y produce vapor. El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado). Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta
triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación. El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento. La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador síncrono acoplado a la turbina. ( Tomado del Ins tituto Familiar de educación de Barcelona)
El proceso seguido en todas las centrales térmicas (convencionales o nucleares) tiene cuatro partes principales:
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Generador de calor (puede ser una caldera para quemar carbón, fuel, gas, biogás, biomasa o residuos urbanos, o bien un reactor nuclear). Circuito cerrado por donde circula el fluido que porta la energía cinética necesaria (agua en fase líquida y en fase de vapor). El generador de vapor tiene una gran superficie de contacto para facilitar la transferencia de calor de la caldera. (En las centrales de gas de ciclo combinado, el fluido es el propio gas en combustión). Condensador o circuito de enfriamiento. Convierte el vapor “muerto” de baja densidad en agua líquida de alta densidad, apta para ser convertida de nuevo en vapor “vivo”. El calor residual del vapor “muerto” se transfiere a otro medio (generalmente un río o un embalse). La turbina convierte la energía cinética del vapor “vivo” en movimiento rotatorio. Las ruedas de paletas se disponen una tras otra, con diferentes configuraciones, para aprovechar toda la energía contenida en el vapor a presión a medida que se expande y pierde fuerza. El generador convierte el giro en corriente eléctrica, gracias al proceso de inducción electromagnética.
figura 3. central termoeléctrica
fuente:http://www.epec.com.ar/generacion_centrales_t_funcionam.html PROCESO DE COMBUSTIÓN Combustión es el conjunto de procesos físico-químicos en los que un elemento combustible se combina con otro elemento comburente (generalmente oxígeno en forma de O 2 gaseoso), desprendiendo luz, calor y productos químicos resultantes de la reacción (oxidación). Como consecuencia de la reacción de combustión se tiene la formación de una llama. Dicha llama es una masa gaseosa incandescente que emite luz y calor. Es decir este proceso se realiza en el quemador del generador de vapor el cual transforma la energía química del combustible en energía térmica a través de una energía de activación. Para que se produzca la combustión, deben encontrarse en el espacio y en el tiempo tres elementos: Combustible, comburente, fuente de ignición (fuente de energía que inicia la combustión). (Guía básica de calderas industriales eficientes, s.f). Por esta razón, para obtener una buena eficiencia de la caldera se debe controlar la cantidad de aire que se suministra al proceso de combustión, puesto que demasiado aire reducirá la temperatura del hogar y se llevará una parte del calor útil; mientras que poco aire no producirá una combustión completa, por lo cual se escapará mucho combustible sin quemar por la chimenea y se producirá humo (Salazar, 2009).
PROBLEMAS BÁSICOS PLANTEADOS AL INTERIOR DE LA CALDERA los principales problemas que pueden aparecer en la utilización de las calderas de vapor vienen motivados por los siguientes procesos: ● incrustación ● corrosiones ● arrastres ● depósitos
incrustación las incrustaciones cristalinas y duras se forman directamente sobre la superficie de la calefacción por cristalización de las sales en disolución saturadas presentes en el agua de la caldera. están constituidas esencialmente, por elementos cuya solubilidad decrece al aumentar la temperatura del agua y son generalmente, carbonato de calcio,
sulfato cálcico, hidróxido cálcico y magnésico, y ciertos silicatos de calcio, de magnesio y de aluminio, entre otros.
figura ? ejemplo de incrustación en caldera de vapor las incrustaciones son peligrosas porque su conductividad térmica es pequeña. estas incrustaciones afectan al rendimiento térmico de las calderas y producen un re calentamiento importante en el metal expuesto a la llama.
corrosión: es un proceso por el cual el metal en contacto con su medio ambiental tiende a cambiar desde forma pura de metal a otra más estable. el hierro, por ejemplo, es gradualmente disuelto por el agua y oxidado por el oxígeno que lleva en su seno, formándose productos de oxidación a bases de productos de hierro. estos procesos ocurre rápidamente en los equipos de transferencia de calor, como son las calderas de vapor, ya que, en presencia de altas temperaturas, gases corrosivos y sólidos disueltos en el agua se estimulan los procesos de corrosión. de los diverso tipo de corrosión que pueden plantearse , se consideran como fundamentales los siguientes: ● corrosión general ● corrosión por oxígeno o pitting ● corrosión cáustica ● corrosión por anhídrido carbónico
figura ? ejemplo de corrosión por pitting en tubos de humo
figura ? ejemplo de corrosión cáustica en tubo hogar de caldera de vapor
arrastre: el arrastre de condensado en una caldera tiene relación con el suministro de vapor humedo puede tener relacion con deficiencias mecanicas y quimicas.
la deficiencia mecánica tiene relación con la operación con elevados niveles de agua, deficiencia de los separadores de gota, sobrecarga térmica, variaciones bruscas en los consumos, etc. por otro lado las deficiencias químicas tienen relación con el tratamiento de agua de la caldera, específicamente con excesivos contenidos de alcalinidad, sólidos totales (disueltos y en suspensión) y silice, que f avorecen la formación de espuma.
figura efectos de sólidos disueltos en el nivel del agua de la caldera de vapor
depósitos: el agua que contiene la caldera tiene sólidos en suspensión que provienen del agua de alimentación o de los aditivos y procesos de eliminación de las incrustaciones que se decanta en el fondo de la caldera en forma de lodo.
PÉRDIDAS DE CALOR Pérdidas por transferencia de calor La caldera se encuentra recubierta y en el proceso de combustión este se encuentra más caliente que el medio ambiente donde se encuentra por lo cual hay una transferencia de calor a su alrededor a través de las paredes, el piso y el techo. Para esto tomaremos la caldera dentro un régimen uniforme o estacionario, es decir, supondremos que las temperaturas no varían con el tiempo (Miér, 2013).
Pérdida por convección Es un mecanismo de transmisión de calor que tiene lugar como resultado del movimiento de un fluido.
Ley de enfriamiento de Newton (Mier, 2013) A es el área de contacto Ts es la temperatura de la superficie/temperatura de las paredes/temperatura alta Ta es la temperatura del fluido alejado de la superficie hc es el coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m 2.K) Pérdidas por radiación Es una transmisión electromagnéticas.
(emisión
y
recepción)
de
energía
por
medio
de
ondas
= (Mier, 2013) = constante de Steffan Boltzmann (5,67.10-8 W/m2.K4) = emisividad del cuerpo gris. Es 1 para el radiador ideal (cuerpo negro) A= área de la superficie de la caldera Ta= temperatura de los alrededores Ts= temperatura de la superficie hr= (W/m2.K) coeficiente de transmisión El valor de la pérdida del calor está condicionado por la eficacia del aislamiento del cuerpo de la caldera. En este caso tiene gran importancia los elementos cuyo coeficiente de transmisión sea bajo, así como su espesor. El aislamiento del cuerpo en cada condición ambiental debe garantizar que se consigan las condiciones de equilibrio, es decir que el valor de la temperatura del cuerpo de la caldera no bajará de una manera significativa y, así minimizar las pérdidas de temperatura. Un aislamiento dañado o mal instalado aumenta el potencial de pérdida de calor por radiación. La operación dinámica de una caldera se refiere a las variaciones de carga y a los ciclos de encendido y apagado que realiza. Lo ideal es que una caldera trabaje en formas continua no apagándose jamás. Si juntamos estas dos pérdidas tenemos la siguiente ecuación de pérdida por transferencia de calor:
(Mier, 2013) Pérdida de calor en la purga Las pérdidas por purga están constituidas por el calor que escapa al eliminar los sólidos o impurezas en suspensión o disueltas en el agua, y que se han acumulado dentro de la caldera. Debido a que cuando el agua se vaporiza, la concentración de sólidos aumenta en el agua que queda, lo cual conduce a problemas de incrustación, reducen la tasa de transferencia de calor del combustible al agua y por consiguiente la eficiencia de la caldera disminuye. La purga se realiza extrayendo agua de la parte inferior de la caldera, que es donde se encuentran más concentrados los sólidos disueltos y en suspensión. Entre estos mecanismos figura un óptimo tratamiento de agua, el uso de purgas continúas (operadas por sistemas control, que incluyen la medición de las características del agua) y, para el caso de las purgas manuales, contar con operadores capacitados para mantener adecuados parámetros del agua de la caldera (Oelker, 2011). En la figura 3. se observa la relación entre el porcentaje de purga y la reducción de eficiencia, para diferentes presiones de operación de una caldera.
Figura 4. Relación entre porcentaje de purga y eficiencia de una caldera, de acuerdo a la presión de trabajo.(Oelker, 2011) Cálculo de la pérdida por purga % en peso
Donde
STDa.a son los sólidos disueltos totales en el agua de alimentación de la caldera. STDa.c son los sólidos disueltos totales del agua de la caldera. % en energía Hliq. Es la entalpia del líquido a presión de la caldera. Hv. Entalpia del vapor a presión de la caldera. (Proenergía, s.f) Pérdida de calor asociada al exceso de aire El “exceso de aire” tiene relación con la cantidad de aire para la combustión que debe ser entregado, para lograr una buena mezcla aire/combustible y con ello una buena combustión. El exceso de aire requerido por una caldera varía de acuerdo al tipo de combustible y a la tecnología del quemador. El trabajar con excesos de aire inferiores a los requeridos, provoca disminuciones en la eficiencia de una caldera, debido a la combustión incompleta del combustible. Otros problemas asociados con excesos de aire insuficientes son la formación de depósitos al interior de la caldera y la emisión de productos de la combustión con características explosivas y tóxicas. El exceso de aire es la cantidad de aire en exceso con respecto al aire teórico o requerido para efectuar la combustión (Oelker, 2011).
Figura 4. Eficiencia vs exceso de aire para el caso del petróleo residual y el gas natural. (Oelker, 2011) En la figura 4. se observa la eficiencia térmica de una caldera en relación al exceso de aire con el que se encuentra trabajando, tanto para el caso de gas natural como para el caso del petróleo (Oelker, 2011).
2.8.3.1 Cálculo del exceso del aire Exceso del aire %= aire teórico% -100 Donde el aire teórico %= volumen del aire teórico/100 Donde el aire téorico % representa cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico (moles de oxigeno que se necesita para efectuar la combustión). Por consiguiente, para el 100% del aire teórico el exceso de aire es cero. Por ejemplo para el 250% de aire teórico, el exceso de aire sería del 150%. (Rolle, 2006).
Pérdida de calor en los productos de combustión
Las pérdidas se producen debido a la temperatura y volumen de los gases que salen por la chimenea: a mayor temperatura de los gases, menor es la eficiencia. Los gases pueden estar demasiado calientes por una de dos razones: - El quemador está produciendo más calor que el que se requiere para la carga específica de la caldera. - Las superficies de calefacción de la caldera no están funcionando correctamente y el calor no se está transfiriendo al agua.
Figura 5. Eficiencia vs temperatura de los productos de combustión. (Oelker, 2011) A partir de este grafico se puede concluir que un aumento de temperatura en la chimenea sobre los productos de la combustión disminuye la eficiencia de la caldera. Esto genera un aumento de la pérdida de calor en los productos de combustión lo cual ocasiona un aumento en el consumo del combustible. Por esta razón cuando se produce hollín (ensuciamiento lado gases) e incrustaciones (ensuciamiento lado agua), estos se comportan como aislantes ocasionando un deterioro en el flujo de calor entre los productos de la combustión y el fluido contenido en la caldera, produciendo una disminución en el eficiencia de la caldera, según el espesor de la capa de hollin (Oelker, 2011).
Cálculo de la pérdida en los gases de combustión (Isaacs, 2013) W es el peso de los gases quemados Tg es la temperatura de los gases de la chimenea Ta es la temperatura del aire de combustión. ch es el calor específico de los gases (se suele tomar como 0,24) Pérdidas de calor debido a no contar con un sistema de precalentamiento del aire requerido para la combustión Para calderas que usan combustibles sólidos como carbón, madera, biomasa, etc, se debe realizar un precalentamiento del aire que se utiliza para la combustión debido a que a una cuando el aire entra con mayor temperatura se realiza una combustión más completa (Oelker, 2011).
Figura 6. Relación entre la eficiencia y temperatura del aire de combustión, para el caso del uso de desechos de madera como combustible. De igual manera la eficiencia de la caldera aumenta cuando se aumenta la temperatura del aire que se usa en la combustión también depende del tipo de combustible que se use, como es el caso que se analiza en la gráfica anterior, la cual muestra que entre mayor sea la temperatura del aire en una caldera que usa desechos de madera como combustible, se obtendrá un aumento del 15% de la eficiencia de esta (Oelker, 2011).
Pérdida por combustión del hidrógeno El hidrógeno presente en el combustible, produce agua por la combustión que representan pérdidas para la combustión.
(Vidal, 2013) 8.936 peso del agua formada para cada átomo de hidrógeno %H2 es el porcentaje del hidrógeno en el combustible hpv es la entalpía del vapor hwsat es la entalpía del liquido Pérdidas por humedad en el combustible (Vidal, 2013) Whc es la cantidad de humedad (Kg) en 1 Kg de combustible hpv es la entalpía del vapor hwsat es la entalpía del liquido Pérdidas por humedad en el aire de combustión. (Vidal, 2013) Wha es el peso de la humedad del aire Wa es el gasto de aire seco hpv es la entalpía del vapor hwsat es la entalpía del liquido Pérdidas por el carbono no quemado en las cenizas Wa es el peso de ceniza recogida en un período de trabajo W es el peso del combustible quemado en el mismo período Ca es el porcentaje de combustible en la ceniza Pérdidas por humedad en el aire de combustión. (Vidal, 2013)
Wha es el peso de la humedad del aire Wa es el gasto de aire seco hpv es la entalpía del vapor hwsat es la entalpía del liquido Pérdidas por combustión incompleta
Donde CO es el porcentaje de CO en el análisis de humos CO2 es el porcentaje de CO 2 en el análisis de humos Cb es el peso del carbono en 1 kg de combustible quemado Se pierden 2200 kcal por kilogramo de carbono convertido en CO y el calor de combustión del carbono CO 2 es de 7863 Kcal/kg.
Metodología Se realizó una extensa revisión bibliográfica referente a las caldera acuotubulares, registrando información para contextualizar la historia, describir el funcionamiento y describir cómo se calculan las diferentes pérdidas dentro de este proceso para poder evaluar la eficiencia del sistema. Adicional a esto se realizó un análisis termodinámico del funcionamiento del sistema donde se muestra la aplicación de la primer y segunda ley de la termodinámica.
Resultados Propuestos Se utilizaron los datos de una caldera potencia de la empresa Carvajal Pulpa y Papel de la planta 2, para determinar las pérdidas producidas y calcular la eficiencia con un tipo de combustible (Bagazo).
Tabla 1. Isaacs, 2013., Pérdidas en una caldera potencia. Caracterización térmica de los equipos cr íticos de las áreas de calderas y pulpa de C arvajal pulpa y papel, planta 2, bas ado en el modelo de g es tión integ ral (MGIE ).pp 72.
Para calcular la eficiencia se usaron los dos métodos planteados en el marco teórico, método directo y método indirecto:
Cálculo de la efici encia por el método indirecto (1 – Σ Pérdidas) *100 Σ Pérdidas= 33.98% =0.3398 = (1 – 0.3398) *100= 66.02%
Cálculo de la eficiencia por el método dir ecto ηCaldera= Qsalida/Qentrada (30361,28/45784,98) x100 = 66.3% Por ambos métodos se obtuvo la misma eficiencia energética para una caldera.
Discusiones y Análisis Termodinámico
Bibliografía ●
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Milla Lostaunau, L. (2007). Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Recuperado el 9 de Noviembre de 2014, de Calderas y Turbinas de Vapor para la Generación de Energía Eléctrica:http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/electronica/2007_n 19/pdf/a05n19.pdf Vosough, A., & Mostafagoodarzi . (2011). Boiler Thermodynamic Analysis to Reduction. INTERNATIONAL JOURNAL OF MULTIDISCIPLINARY SCIENCES AND ENGINEERING, 20. Vidal medina, J. R. (2013). EXPOIndustrial. Recuperado el 11 de Noviembre de 2014, de Eficiencia en sistemas térmicos: http://expoindustrial.com.co/wpcontent/uploads/2013/05/Uso-eficiente-de-sistemas-t%C3%A9rmicos-Dr.-JuanRicardo-Vidal.pdf Jiménez, R. M. (17 de Junio de 2007). Sistema de información energética de Guanajuato. Recuperado el 17 de Noviembre de 2016, de Uso eficiente de la energía en calderas: http://energia.guanajuato.gob.mx/siegconcyteg/eventosieg/archivos/Seminario_Cald eras.pdf Mier, S. (Octubre de 2013). Universidad Carlos III de Madrid. Recuperado el 9 de Noviembre de 2014, de Análisis termodinámico y cálculo básico de la caldera y la torre de refrigeración de la central térmica de la Robla: http://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/18 [1] Mier, S. (Octubre de 2013). Universidad Carlos III de Madrid. Recuperado el 9 de Noviembre de 2014, de Análisis termodinámico y cálculo básico de la caldera y la torre de refrigeración de la central térmica de la Robla: http://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/18302/PFC_Sergio_Mier_Santiso.pdf?sequ ence=1 [1] Vidal medina, J. R. (2013). EXPOIndustrial. Recuperado el 11 de Noviembre de 2014, de Eficiencia en sistemas térmicos: http://expoindustrial.com.co/wpcontent/uploads/2013/05/Uso-eficiente-de-sistemas-t%C3%A9rmicos-Dr.-JuanRicardo-Vidal.pdf Isaacs, H. (2013). Universidad Autónoma de occidente. Recuperado el 9 de [1] Noviembre de 2014, de Caracterizacion térmica de los equipos criticos de las áreas de calderas y pulpa de carvajal pulpa y papel, planta 2 basado en modelos de gestión integral (MGIE): http://bdigital.uao.edu.co/handle/10614/5724
