Balance Energético en Calderas

BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS 1 2 3 4 5

Introducción Funcionamiento de una caldera Pérdidas energéticas en calderas Balance energético en una caldera. Rendimiento energético Ejercicios

Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández

BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [1/27]

AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR

1

CALDERAS Objetivos

1. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas para identificar los flujos energéticos útiles y las pérdidas energéticas. 2. Realizar un balance energético en una caldera, determinando la localización y magnitud de las pérdidas energéticas.



2

CALDERAS Definición, Introducción

Aplicaciones: Agua Caliente Sanitaria Calefacción



3

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Clasificación según Norma UNE 9.002 (I) Por la transmisión del calor: • De convección. • De radiación.

• De radiación y convección.

Por el combustible utilizado:

• De carbón (de parrilla mecánica o pulverizado). • Para combustibles líquidos.

• Para combustibles gaseosos.

• Para combustibles especiales (lejías, resíduos vegetales o agrícolas, etc.). • Para combustibles variados (calderas policombustibles).

Por la presión de trabajo:

• Subcríticas: baja (p≤1 bar), media (113 bar). • Supercríticas.



4

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Clasificación según Norma UNE 9.002 (II) Por el tiro: • De tiro natural. El tiro se produce por la diferencia de densidad de los humos de los gases de combustión y el aire exterior. • De tiro forzado: con hogar en sobrepresión, depresión o equilibrado.



5

CALDERAS PIROTUBULARES Funcionamiento. Los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de un volumen de agua, todo ello rodeado por una carcasa interior. Diseño limitado a 25 bar.



6

CALDERAS PIROTUBULARES Esquema tridimensional



7

CALDERAS PIROTUBULARES Fotografía de la caldera en fabricación



8

CALDERAS PIROTUBULARES Fotografía caldera pirotubular



9

ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas de energía en la combustión P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA Producción de inquemados. Definición de un rendimiento de la combustión. Pérdidas por inquemados sólidos Qis . Pérdidas por hidrocarburos inquemados QCH . Pérdidas por CO y H2 inquemados.



10

ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS POR INQUEMADOS SÓLIDOS Pis Inquemados sólidos producen opacidad de los gases de combustión. Medida mediante Índice de Bacharrach. Bacharrach 1 2 3 4 5 6

Pérdidas ( % PCI) 0,8 1,6 2,4 3,5 4,6 5,7

Características de la combustión Excelente. Ausencia de Hollín Buena. Hollín poco perjudicial Mediana. Cierta cantidad de hollín. Limpieza anual Pobre. Humo visible. Moderado a rápido ensuciamiento Muy pobre. Ensuciamiento seguro. Varias limpiezas al año Pobrísima

Relación Pis ( %) y la lectura de la opacidad OP( %) OP( %) 21 × % del calor total Pis ( %) = 21 − O2 65 Se producen principalmente en combustibles sólidos y en menor medida en combustibles líquidos y pueden ser entre el 2 y el 3 % del total. BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [11/27]


11

ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS POR HIDROCARBUROS INQUEMADOS PCH En los combustibles líquidos y gaseosos es habitual que no se queme una parte de los hidrocarburos produciéndose pérdidas por hidrocarburos inquemados PCH . Estas pérdidas se pueden determinar de forma aproximada mediante: 21 CH PCH ( %) = × 21 − O2 1000 siendo O2 el % de O2 en los gases y CH las ppm de hidrocarburos.



12

ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS POR CO Y H2 INQUEMADOS PCO No todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma en CO2 y en H2 O. QCO = 32 800 − (32 800x + 9200(1 − x))kJ/kg de C De igual modo, si se supone de solamente se transforma el y por uno de H2 a H2 O, la pérdida por hidrógeno inquemado resulta: QH2 = 120 900 (1 − y) kJ/kg de H Habitualmente se considera que los inquemados de H2 con iguales a los inquemados de CO (que sí de miden). Adicionalmente a las expresiones indicadas anteriormente, las pérdidas por inquemados de CO y H2 se pueden calcular de forma aproximada mediante 21 CO PCO ( %) = × 21 − O2 3100 siendo O2 el % de O2 en los gases y CO las ppm de CO en los gases. BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [13/27]


13

ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS TOTALES POR INQUEMADOS Pinq = PCO + PH2 + PIS + PCH % del calor total De forma aproximada se pueden calcular mediante: CO CH OP( %) 21 + + Pinq ( %) = × 21 − O2 3100 1000 65

Por convenio se suele considerar CH = CO, ya que generalmente los aparatos se medida únicamente miden CO. R ENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN Definido debido a que la combustión no es completa. El calor liberado por el combustible no es Qc = m˙ PCI. Definición: η( %) = 100 − Pinq ( %)



14

ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta VALORES ÓPTIMOS DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN Fuelóleo Gasóleo Gas natural Exceso de aire % 15 a 20 10 a 15 5 a 10 O2 % 3a4 2a3 1a2 Bacharrach 2 1a2 CO ppm 400 <400 <400 CH ppm 400 <400 <400



15

CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 1. P ÉRDIDAS POR INQUEMADOS Se producen inquemados porque no todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma en CO2 y en H2 O respectivamente. Además, aparecen las pérdidas por inquemados sólidos PIS o por hidrocarburos inquemados PCH . Las pérdidas totales por inquemados resultan: Pinq = PCO + PH2 + PIS + PCH Las pérdidas por inquemados se pueden calcular mediante esta expresión teórico-experimental. 21 CH OP CO Pinq ( %) = + + × 21 − O2 3100 1000 65 siendo O2 el % de O2 en los gases, CO las ppm de CO en los gases, CH las ppm de CH en los gases (hidrocarburos) y OP la opacidad de los gases ( %).



16

CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 2. P ÉRDIDAS POR LOS GASES DE ESCAPE Expresión de las pérdidas de calor en los gases de escape: Pgases ( %) = 100 ×

m˙ g c p,g (tg,s − tre f ) m˙ f PCI

El calor específico medio, c p,g se puede tomar bien el correspondiente al aire seco (1,1 kJ/kg◦C) o bien determinarlo a partir de su composición. i=n

c p,g =

∑ COMPi c p,i

kJ/kg◦C

i=1

Asimismo se puede emplear la expresión del tipo c p,g = M + N tg , donde los coeficientes M y N dependen del combustible, y del exceso del aire de la combustión. BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [17/27]


17

CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 3. P ÉRDIDAS POR LAS PAREDES i=n

Ppar = ∑ Ai he (t p,ext − tamb) i=1

donde Ai están a t p,ext y he = he,R + he,C . Convección natural. Caldera en interior de edificio √ • Pared horizontal: he,C = 2,8 4 t p,ext − tamb p • Pared vertical: he,C = 1,18 4 (t p,ext − tamb )/H p • Pared cilíndrica: he,C = 1,13 4 (t p,ext − tamb )/de Convección forzada. Caldera al aire libre.

• he,C = 4,88 + 3,6V , donde V es la velocidad del viento en m/s.

Radiación.

• he,R = 4,96 × 10−8ε(t p,ext + 273)4 − (tamb + 273)4 /(t p,ext − tamb). BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [18/27]


18

CALDERAS Balance energético. Rendimiento energético R ENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CALDERA Energía útil Rendimiento η( %) = 100 × Energía consumida Método directo del cálculo del rendimiento. Si se dispone de la instrumentación adecuada, se puede calcular directamente el rendimiento η( %) = 100 ×

m˙ 1 (hv1,s − hag,e ) + m˙ 2(hv2,s − hag,e ) m˙ f PCI

Método indirecto o de separación de pérdidas. Empleando el concepto de energía útil, el rendimiento de la caldera será: Pérdidas η( %) = 100 × 1 − Energía consumida = 100 − Pgas ( %) − Pinq ( %) − Ppar ( %). BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [19/27]


19

CALDERAS Balance energético. Ejercicios EJERCICIO 1. En una caldera de gasóleo C se realiza el siguiente análisis de humos: %O2 = 5 %CO2 = 12, CO = 200ppm, Thumos = 150◦C. Determina la temperatura de rocio de los humos. De la Tabla 8.2 se obtiene que la combustión se realiza con un coeficiente de exceso de aire de n = 1,3, volumen de humos húmedos de 14,47 m3N/kgcomb , masa de humos húmedos de 18,79 kg/kgcomb y una composición de agua en humos de 1,01 kg/kgcomb. El volumen de agua en humos es de: 22, 4 22, 4 m3N/kmol = 1, 01 · = 1,26 m3N/kgcomb VH2O = mH2 O MH2O kg/kmol 18 La presión parcial del agua en los humos es de: VH2 O 1,26 m3 N/kgcomb = 8820 Pa = 101 300 Pp = PT yH2 O = PT VHH 14,47 m3 N/kgcomb Interpolando se obtiene que la temperatura de rocío de los humos es de 41,5◦C. BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [20/27]


20

CALDERAS Balance energético. Ejercicios EJERCICIO 2. Calcula las pérdidas de energía por humos en % de la caldera del Ejercicio 1. Para determinar las pérdidas de energía en humos, supondremos una temperatura ambiente de 20◦C. El calor específico de los humos a la temperatura media, esto es, a 85◦C es de c p = 1, 049 + 0, 0001108 · (85 + 273) = 1, 09. El PCI del gásoleo C es 40 964 kJ/kg. Las pérdidas de energía en los gases de escape se pueden calcular mediante, Pge ( %) = 100 ×

m˙ ge c p,ge (tge − ta) 18,79 · 1,09 · (150 − 20) = 100 × = 6,5 %. m˙ f PCI 1 · 40 964

Empleando la expresión de Sieggert, Pge ( %) = K ×

tge − ta 150 − 20 = 6,2 %. = 0,58 · CO2 + SO2 12,16 + 0,04



21

CALDERAS Balance energético. Ejercicios EJERCICIO 3. Calcula las pérdidas de energía por inquemados en % de la caldera del Ejercicio 1. Las pérdidas por inquemados a falta de información sobre la opacidad de los humos resultan: 200 200 21 · + Pinq ( %) = = 0,35 % 21 − 5 3100 1000



22

CALDERAS Balance energético. Ejercicios EJERCICIO 4. Una caldera pirotubular de 2 metros de diámetro y 3 metros de longitud trabaja a una temperatura de 80◦C. La virola es de acero y tiene un espesor de 10 mm y está cubierta con una capa de aislante de fibra de vídrio de 30 mm de espesor. La caldera está instalada al exterior con velocidad de viento de 2 m/s. Estima las pérdidas de energía por transferencia de calor al ambiente (30◦C). La temperatura del agua en la caldera es de 80◦C. Se considera que el coeficiente de transmisión de calor interior hi es elevado y por tanto la temperatura de la pared interior será la del fluido t2 = t1 . La conductividad térmica del acero es de kac = 50 W/m◦ C y la del aislante de kais = 0,1 W/m◦ C. Además como el diámetro es mucho mayor que el espesor, se puede considerar en toda la superficie transmisión de calor en superficies planas. Coeficiente de transmisión de calor en la pared circular. 1,04 1,04 ln(1,01/1,00) 1,04 ln(1,04/1,01) 1 1 = + + + . Ue,c 1 hi 50 0,05 14,03 1 1 1 1 1 1 = + + + = ⇒ Ue,c = 0,681. Ue,c ∞ 4832 1,64 14,03 1,468 BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [23/27]


23

CALDERAS Balance energético. Ejercicios Coeficiente de transmisión de calor en las tapas. 1 0,01 0,04 1 1 = + + + . Ue,t 1 hi 50 0,05 14,03 1 1 1 1 1 1 = + + + = ⇒ Ue,t = 0,87. Ue,t ∞ 5000 1,25 14,03 1,148 Las pérdidas por transferencia de calor serán, Ppar = [(πDL)Ue,c + (2πD2/4)Ue,t ] (t1 − t5) Ppar = [19,6 · 0,681 + 6,80 · 0,87] · (80 − 30) = 963 W. siendo la temperatura en la pared exterior de la virola, (t5 − t4 ) =

Ppar 19,6 · 0,681 · 50 = = 2, 4 ⇒ t4 = 32,4◦C. Ae he 19,6 · 14,03



24

CALDERAS Balance energético. Ejercicios EJERCICIO 5. Una caldera consume en 24 h 152,5 kg de gasóleo C (PCI=40000 kJ/kg). Determinar el diagrama Sankey y rendimiento de la caldera. Se dispone de la siguiente información adicional: temperatura de los humos: 210◦C, coeficiente de exceso de aire: n = 1,2, pérdidas por inquemados: 2 %, pérdidas por las paredes: 3,8 kW. Cond. ambientales: 101300 Pa y 25◦C. Energía aportada por el combustible, Q˙ f = m˙ f PCI = (152,5/24/3600)40 000 = 70,6 kW. Pérdidas por las paredes, P˙p = 3,8 kW , Pp( %) = 5,3 % Pérdidas por inquemados, Pinq ( %) = 2,0 %, P˙inq = 1,4 kW



25

CALDERAS Balance energético. Ejercicios Pérdidas por gases de escape m˙ ge = 0,00176(1 + 1,2 · 13,67) = 0,031 kg/s, P˙ge = m˙ ge c p,ge (tge − tre f ) = 0,031 · 1,1(210 − 25) = 6,25 kW (8,85 %). Energía útil E˙u = Q˙ f −P˙ge −P˙par −P˙inq = 70,6−6,25−3,8−1,4 = 59,2 kW. Rendimientos de la caldera 59,2 E˙u = 100 · = 83,8 %. η( %) = 100 · 70,6 Q˙ f



26

CALDERAS Bibliografía Bibliografía recomendada: Molina, L.A., Molina, G., 1993, capítulo 2. Molina, L.A., Alonso J.M., 1996, capítulo 2. Hernández, J.J., Lapuerta, M, 1998, capítulos 5 y 7. CEE, Libro II. Generación de Vapor, 1983, capítulos 2, 3 y 4. CEE, Tomo 1, Fundamentos y ahorro en operaciones, 1982, pp. 133-175.



27

Balance Energético en Calderas

Recommend Documents