1
ANALISIS DE LA COMBUSTIÓN EN LAS CALDERAS PODER CALORÍFICO DE LOS COMBUSTIBLES: 1. Poder Calorífico Inferior: Es el calor liberado por kilogramo de combustible después de deducir el necesario para vaporizar el agua formada por la combustión del Hidrógeno, el agua sale como vapor. 2. Poder Calorífico Superior: Es el que se obtiene mediante un calorímetro de volumen constante, en el cual el vapor producido se condensa y se recupera el calor latente de vaporización. El análisis último permite calcular el poder calorífico superior de un combustible, mediante la aplicación de la formula de Dulong, la cual se analizará posteriormente. Al calcular la potencia calorífica del combustible a partir del análisis último, únicamente se tienen en cuenta el Carbono, Hidrógeno y Azufre. Sin embargo, no todo el Hidrógeno dado por el análisis elemental es útil para la combustión, debido a que una parte se encuentra ya combinado con el Oxigeno intrínsecamente en forma de humedad.
El Hidrógeno útil viene dado por la
relación (H - 0/8), en donde H y O representan las partes proporcionales de Hidrógeno y Oxigeno en peso, por Kilogramo de combustible. Nota: (H – O/8).
El peso molecular del Hidrógeno es un octavo del peso
molecular del Oxigeno. Es decir que por cada Kg de Oxigeno presente en el combustible existe un octavo de Kg de Hidrógeno en forma de agua. La fórmula de Dulong correspondiente al poder calorífico superior de un combustible, basada en las proporciones en peso, del Carbono total, Hidrógeno útil y Azufre, viene expresada por:
PCS
( KJ
Kg
) 34.108 C 145.338 ( H
O ) 9.494 S 8
3.19
2
PCS
( Kcal
PCS
( BTU
Kg
lb
) 8.148 C 34.720 ( H
) 14.544 C 62.028 ( H
O ) 2.268 S 8
O ) 4.050 S 8
3.20
3.21
En donde: C, H, O y S son, respectivamente, los pesos de Carbono, Hidrógeno, Oxigeno y Azufre por Kilogramo de combustible.
3.13. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA Cuando se efectúa la combustión de un combustible, en el hogar de una caldera, sea éste sólido, líquido o gaseoso, se presentan ciertos requerimientos, que son importantes de determinar, por ejemplo la cantidad de aire necesario a suministrar, y la cantidad de gases producto de combustión generados. Además es fundamental evaluar las pérdidas de energía que se presentan en el proceso, con el propósito de cuantificar la eficiencia de la combustión, por ello se hace necesario determinar estos parámetros.
3.13.1. REQUERIMIENTOS DEL AIRE PARA LA COMBUSTIÓN El cálculo del caudal de aire y de los productos de la combustión es importante para determinar el diseño y la potencia de los ventiladores de tiro forzado y de tiro inducido, así como también el tamaño de los conductos a través de los cuales circulan dentro de la caldera y de la chimenea. Los datos que se requieren para un análisis de los requerimientos del aire en la combustión son:
Análisis último (C, H, O, N, S, Cenizas).
Temperatura ambiente.
Presión atmosférica.
Temperatura de salida de los humos.
3
Análisis volumétrico de los productos en base seca.
Consumo de combustible. Con estos datos es necesario efectuar los siguientes cálculos:
3.13.1.1. OXÍGENO NECESARIO PARA QUEMAR CADA ELEMENTO DEL COMBUSTIBLE Se expresa en Kg de O/Kg de combustible, para ello se calcula el Oxígeno teórico, que es la sumatoria del Oxígeno externo requerido por la combustión completa de los elementos del combustible, se utiliza la expresión siguiente:
Ot ( 8 ) C 8 H O S 3
Kg de Oxig./ Kg de Comb.
3.28
3.13.1.2. AIRE TEÓRICO A su vez se evalúa el aire teórico, que es la cantidad de aire necesaria para la combustión completa del combustible; recordando que la composición del aire es:
En volumen: 21 % de Oxígeno y 79 % de Nitrógeno.
En masa: 23 % de Oxígeno y 77 % de Nitrógeno.
Aire Teorico
Ot 0, 2315
Kg de Aire / Kg de Comb.
3.29
Al sustituir la ecuación 3.28 en la 3.29, y efectuando las respectivas reducciones matemáticas, se obtiene la expresión que permite evaluar la cantidad másica de aire teórico (mta) necesaria, para quemar un Kg de combustible.
mta 11,52 C 34,56 ( H O ) 4,32 S 8
3.30
4 3.13.1.3. VOLUMEN DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN COMPLETA Calculado como el volumen parcial de cada producto a la temperatura de descarga de los humos (Tg) y a la presión atmosférica (Pat). Para ello se utiliza la ecuación de estado de los gases ideales y la ecuación de la constante particular de cada gas.
PVi mi RiT
Ri
y
R Mi
vi
Vi RT mi M i P
3.31
El volumen específico de los productos gaseosos, se calcula a la temperatura de descarga de los humos (Tg) y a la presión atmosférica (Pat), utilizando el peso molecular de cada uno de los productos:
M CO2 44 M N2 28 M SO2 64 M CO 28 M O2 32 M H 2O 18 El volumen específico del aire se calcula a la temperatura ambiente (Tamb) y a la presión atmosférica (Pat) con Maire = 29. Para obtener el volumen total de los humos que salen por la chimenea se utiliza el análisis volumétrico de los productos en base seca, mediante la expresión siguiente:
vi
R Tg Vi mi M i Pat
Como Vi mi vi
Vi ni Mi vi
y mi ni M i
VT Vi
3.32
3.13.1.4. CONSUMO DE AIRE EN LA CALDERA Dado el consumo de combustible evaluado en masa será:
̇ de la caldera, el consumo del aire
5
̇
̇
3.33
Kg de aire / hora (Kg de Comb / hora)*(Kg de aire / Kg de Comb) Y el caudal volumétrico de aire se evaluará mediante la expresión:
̇ ̇
̇
3.34
3.13.1.5. PRODUCCIÓN DE HUMOS DE LA CALDERA El caudal de humos de la caldera en términos de masa será:
̇
̇
̇
̇
̇ ( ̇
̇ (
̇
̇
)
̇
̇ (
)
Si las cenizas son volátiles
)
Si las cenizas no son volátiles
El caudal volumétrico de los humos que salen por la chimenea será evaluado por la expresión:
̇ ̇
̇
3.35
3.13.1.6. COMBUSTIÓN COMPLETA CON EXCESO DE AIRE Se utiliza el exceso de aire para mejorar la combustión. El coeficiente de exceso de aire varía de 0,02 a 0,30. Cuando se está efectuando la combustión del combustible con cierta cantidad de aire en exceso, las ecuaciones anteriores cambian solamente al efectuar el cálculo del flujo másico del aire y del flujo másico de los humos; por lo tanto el aire realmente utilizado será:
Areal (1 C ) At Donde 0, 02 C 0,30
3.36
6 Y por lo tanto el consumo de aire de la caldera será:
̇
̇
3.37
Y la producción de humos será:
̇
̇
(
)
3.38
3.13.2. COMBUSTIÓN REAL Para efectuar el análisis real de la combustión en una caldera es necesario disponer de los siguientes datos:
Tipo de combustible.
Análisis último del combustible.
Consumo de combustible.
Temperatura ambiente.
Temperatura de descarga de los humos.
Presión atmosférica.
Análisis volumétrico seco de los productos de combustión.
Producción de residuos y su contenido de Carbono. Una vez obtenidos estos datos previos, es necesario determinar los
siguientes parámetros, a fin de poder evaluar las condiciones reales de la combustión y la eficiencia de la misma. 3.13.2.1. PESO REAL DEL AIRE DE LA COMBUSTIÓN El análisis de los gases de la chimenea, el análisis elemental del combustible empleado y los pesos moleculares de los principales constituyentes de los gases de la chimenea, proporcionan datos para calcular la cantidad real de aire empleado por cada Kg. de combustible. Para ello, los porcentajes de CO2, O2, CO y N2 de los gases de la chimenea
7 han de tomarse en volumen y el contenido de los componentes del combustible se tomará en peso. Para 100 Kmoles de gases quemados, se tiene que el peso de Nitrógeno es de 28N2 y el peso del Carbono presente en forma de CO2 y CO es de 12(CO2 + CO). Por lo tanto si relacionamos el peso de Nitrógeno por el peso de Carbono será:
28 N 2 12(CO2 CO)
Kg de Nitrogeno Kg de Carbono
3.39
Como un Kg. de aire contiene 0,769 Kg. de Nitrógeno, el peso del aire (ma) por cada Kg. de Carbono se evalúa por:
28 N 2 ma 12(CO2 CO) * 0, 769
Kg de N 2 Kg de C Kg de N 2 Kg de aire
Kg de aire Kg de C
3.40
En las cenizas y residuos de los combustibles sólidos puede haber Carbono no quemado. En este caso la cantidad real de Carbono consumido por Kg. de combustible será:
C1
mqCq mr Cr 100mq
Kg de Carbono consumido Kg de combustible
Donde: C1 =
Carbono realmente quemado por Kg. de combustible.
mq =
Peso del combustible quemado en Kg.
Cq =
Carbono del combustible, según el análisis elemental en porcentaje.
mr =
Peso del residuo procedente del combustible quemado en Kg.
Cr =
Carbono contenido en el residuo en porcentaje.
3.41
8
Si Cr, no ha sido determinado por análisis, puede encontrarse mediante la expresión:
Cr
100 mr A mq
3.42
Donde: A
=
Es el porcentaje de cenizas en el análisis elemental.
Para determinar, la cantidad real de aire consumido, se utiliza la expresión siguiente:
mra maC1
mqCq mr Cr 28 N 2 * 12(CO2 CO)*0, 769 100mq
3.43
Donde: mra =
Peso real de aire seco utilizado en Kg, por Kilogramo de combustible quemado.
Nota: Cuando el contenido del combustible posea Nitrógeno, debe dividirse su porcentaje por 76,9 deduciendo de mra el peso de aire equivalente. Siendo éste el peso real de aire consumido, el cual se utilizará para efectuar los demás cálculos. 3.13.2.2. AIRE EN EXCESO O EN DEFECTO El exceso de aire se expresa generalmente como un porcentaje del requerido teóricamente:
Ea
mra mta *100 mta
3.44
9 Donde: Ea =
Porcentaje de aire en exceso.
mra =
Peso real de aire empleado por Kg. de combustible.
mta =
Peso teórico de aire requerido por Kg. de combustible.
3.13.2.3. PESO DE LOS GASES SECOS POR KG DE COMBUSTIBLE Basándose en los mismos razonamientos a los empleados para expresar la cantidad real de aire empleado por Kg. de combustible, se encuentra, para el peso de los gases secos formados por Kg. de Carbono, la siguiente expresión:
mgs
44 CO2 32 O2 28 CO 28 N 2 12(CO2 CO)
Kg de gases sec os Kg de Carbono
3.45
Los valores de CO2, O2, CO y N2 representan los porcentajes en volumen determinados mediante el análisis de los gases secos quemados de la chimenea. La anterior expresión puede simplificarse, sustituyendo la expresión CO = 100 – CO2 – O2 – N2, en la ecuación anterior:
mgs
mgs
44 CO2 32 O2 28 (100 CO2 O2 N 2 ) 28 N 2 12(CO2 CO)
4 CO2 O2 700 3(CO2 CO)
Kg de gases sec os Kg de Carbono
3.46
El peso real de los gases secos formados por Kg. de combustible se encuentra multiplicando la masa de gases secos (mgs), ecuación 3.46 por el Carbono realmente quemado (C1), ecuación 3.41.
4 CO2 O2 700 mq Cq mr Cr mrgs mgs * C1 * 3(CO2 CO) 100mq
3.13.2.4. MASA DE AGUA FORMADA EN LA COMBUSTIÓN
3.47
10 Para determinar la cantidad de agua que se forma luego de la combustión del Hidrógeno, elemento constituyente del combustible, se recurre a revisar la reacción química en la formación del agua.
1 H 2 O2 2
H 2O
De esta ecuación química, se puede obtener el balance de
masa de la reacción, ella es: Dos Kg. de Hidrógeno reaccionan con 16 Kg. de Oxígeno, para formar 18 Kg. de Agua, si se simplifica la ecuación por 2, se obtiene la expresión siguiente:
1 Kg de H 2 8Kg de O2
9 Kg de H 2O
3.48
De esta última expresión se concluye que se requieren 8 Kg. de Oxígeno para quemar 1 Kg. de Hidrógeno, ó también que un Kg. de Oxígeno oxida a un octavo de Kg. de Hidrógeno. De la expresión 3.48, se concluye que para determinar la cantidad de agua formada en la combustión de un combustible, se puede utilizar la expresión siguiente:
O mH 2O formada 9 H 8
Kg de agua Kg de H 2 Kg de H 2 Kg de comb.
3.49
3.13.2.5. MASA DE LA HUMEDAD CONTENIDA EN EL COMBUSTIBLE La cantidad de humedad contenida en el combustible, se puede determinar mediante la expresión siguiente:
O mHum 9 8
Kg de Agua Kg de combustible
3.50
11 3.13.2.6. MASA TOTAL DE VAPOR DE AGUA Una vez determinados los pesos de la humedad contenida en el combustible y la cantidad de agua formada en la combustión, se puede obtener la masa total de agua, en forma de vapor, que aparece en los productos de la combustión y que sale por la chimenea, mediante la expresión:
mH 2O 9 H mH 2O formada mHum
3.51
Como una forma de verificar los resultados obtenidos, se aplica el principio de la conservación de masa; la masa total de productos debe ser igual a la masa total de reactivos.
Luego para la combustión de 1 Kg. de
combustible, se requieren mra Kg. de aire y se producen mrgs Kg. de gases secos, 9H Kg. de vapor de agua, Cr Kg. de Carbono retenido en los residuos y Cen Kg. de cenizas contenidas en el combustible, es decir:
1 Kg de Combustible mra mrgs 9 H Cr Cen
3.52
Si se desea determinar la producción de humos de la caldera, puede utilizarse la expresión siguiente:
̇
( ̇
) ̇
[
] [
]
3.53
3.13.3. BALANCE TERMICO DE LA CALDERA 1 La distribución del calor resultante de la combustión del combustible en el hogar de una caldera se entiende mejor por medio del balance térmico, el cual consiste en confeccionar una tabla con el calor absorbido por el generador de vapor y con las pérdidas caloríficas concurrentes en la combustión. Generalmente los cálculos se expresan en KJ/Kg de combustible y en 1
Severns W., Energía mediante Vapor, Aire o Gas
12 porcentajes; por lo tanto los totales tendrán que ser el Poder Calorífico Superior del combustible y 100% respectivamente.
Los parámetros que hay que
considerar son los siguientes: 3.13.3.1. CALOR ABSORBIDO POR EL GENERADOR DE VAPOR El calor absorbido por el generador de vapor, incluyendo el economizador, sobrecalentador y recalentadores, puede calcularse por la formula, siguiente: ̇ ̇
[(
)
(
)]
3.54
Donde: H1 =
Calor absorbido por el agua y el vapor en la caldera por cada Kg. de combustible tal como se quema.
̇
= Flujo másico del vapor producido por la caldera en Kg/h
̇
= Flujo másico de combustible quemado en Kg/h
h2 = Entalpía específica del vapor a la salida de la caldera, incluyendo el sobrecalentador en KJ/Kg h1 = Entalpía específica del agua de alimentación a la entrada de la caldera, considerando el economizador dentro de la caldera en KJ/Kg f
= Fracción de recalentamiento, se evalúa por la relación entre el flujo de vapor que retorna a la caldera para ser recalentado y el flujo de vapor producido en la caldera
̇ ̇
3.55
h4 = Entalpía específica del vapor a la salida del recalentador en KJ/Kg h3 = Entalpía específica del vapor a la entrada del recalentador en KJ/Kg
13 3.13.3.2. PÉRDIDAS CALORÍFICAS DEBIDAS A LA HUMEDAD DEL COMBUSTIBLE La humedad del combustible se vaporiza y abandona la caldera en forma de vapor recalentado. La presión absoluta parcial del vapor recalentado en los gases de los humos, se supone y se asume que vale 6,866 KPa y su temperatura es la de dichos gases.
La pérdida se puede evaluar por la
expresión:
H2 mhum (h'' h' f )
3.56
Donde: H2
= Perdidas caloríficas debidas a la humedad del combustible en KJ/Kg de combustible tal como se quema
mhum = Masa de la humedad libre en Kg/Kg de combustible
h ''
= Entalpía específica del vapor recalentado a la temperatura de los humos y a una presión absoluta de 6,866 Kpa en KJ/Kg
h' f
= Entalpía específica del líquido a la temperatura a la cual el combustible entra en el hogar de la caldera en KJ/Kg
3.13.3.3. PÉRDIDAS CALORÍFICAS DEBIDAS AL AGUA PROCEDENTE DE LA COMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENO El Hidrógeno del combustible al quemarse se transforma en agua, la cual abandona la caldera en forma de vapor recalentado, se evalúa esta pérdida por la siguiente expresión:
H3 9 Hhum. form. (h'' h' f )
3.57
Donde: H3
= Pérdidas caloríficas debidas al agua procedente de la combustión del Hidrógeno en KJ/Kg de combustible tal como se quema
14 Hhum. form. = Masa de la humedad procedente de la combustión del Hidrógeno en Kg/Kg de combustible 3.13.3.4. PÉRDIDAS CALORÍFICAS DEBIDAS A LA HUMEDAD DEL AIRE SUMINISTRADO Estas pérdidas caloríficas normalmente son muy pequeñas y pueden calcularse mediante la fórmula:
H 4 msat Cpvapor (Tg Ta )
3.58
Donde: H4
= Pérdidas caloríficas debidas a la humedad del aire suministrado en KJ/Kg de combustible tal como se quema
msat
= Masa de la humedad del aire en Kg/Kg de combustible, se evalúa con la expresión siguiente:
msat mvs mra
3.59
Donde:
= Humedad relativa
mvs = Masa de agua requerida para saturar un Kg. de aire seco mra = Masa real de aire seco empleado por Kg. de combustible Cpvapor = Calor específico a presión constante del vapor de agua = 1,8723 KJ/Kg-°K Tg
= Temperatura de los gases de escape a la salida de la caldera en °C
Ta
= Temperatura del aire al entrar al hogar de la caldera en °C
3.13.3.5. PÉRDIDAS CALORÍFICAS DEBIDAS A LOS GASES SECOS DE LA CHIMENEA Esta pérdida es generalmente la más importante y se calcula por la siguiente fórmula:
15
H 5 mgs Cpgs (Tg Ta )
3.60
Donde: H5
= Pérdidas caloríficas debidas a los gases secos de la chimenea en KJ/Kg de combustible tal como se quema
mrgs
= Masa real de los gases secos a la salida de la caldera en Kg/Kg de combustible
Cpgs = Calor específico a presión constante de los gases secos. Se asume que los gases secos tienen el mismo comportamiento del aire por lo tanto Cp = 1,0035 KJ/Kg-°K 3.13.3.6. PÉRDIDAS CALORÍFICAS DEBIDAS AL COMBUSTIBLE GASEOSO SIN QUEMAR Esta pérdida también es generalmente pequeña y es debida a que el aire se suministra en cantidad insuficiente, lo cual da como resultado que parte del Carbono del combustible se oxide en forma incompleta formando monóxido de Carbono (CO), se evalúa ésta perdida por la expresión siguiente:
CO H6 *23.817* C1 CO2 CO
3.61
Donde: H6
= Pérdidas caloríficas debidas al combustible sin quemar en KJ/Kg de combustible tal como se quema
CO
= Porcentaje en volumen de monóxido de Carbono presente en los gases de combustión, determinado por el análisis de los gases secos de los humos
CO2
= Porcentaje en volumen del dióxido de Carbono presente en los gases de combustión
C1
= Carbono realmente quemado por Kg. de combustible
16 3.13.3.7. PÉRDIDAS CALORÍFICAS DEBIDAS AL COMBUSTIBLE SIN CONSUMIR CONTENIDO EN LAS CENIZAS Y ESCORIAS Parte del Carbono del combustible, ya sea sin quemar o parcialmente quemado cae en el cenicero.
Esta pérdida depende del tipo de parrilla,
velocidad de combustión, tamaño y clase de carbón. Esta pérdida se determina utilizando la ecuación:
H 7 34.108*
mr Cr mq
3.62
Donde: H7
= Pérdidas caloríficas debidas al combustible sin consumir contenido en las cenizas y escorias
3.13.3.8. PÉRDIDAS CALORÍFICAS DEBIDAS AL HIDRÓGENO E HIDROCARBUROS SIN CONSUMIR, RADIACION Y OTRAS PERDIDAS Estas pérdidas se determinan restando el calor absorbido por la caldera, y las pérdidas caloríficas 2 a 7, de la potencia calorífica del combustible tal como se quema, es decir:
H 8 PCS ( H1 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 )
3.63
Donde: H8
= Pérdidas caloríficas debidas al Hidrógeno e hidrocarburos sin consumir, radiación y otras pérdidas Con el propósito de aplicar los conceptos expresados anteriormente se
presenta a continuación un ejemplo ilustrativo de la evaluación del Análisis de la Combustión y del Balance Térmico de una caldera.
17 Ejemplo 3.1: En la figura que se muestra, se representa una planta de vapor, de ella se han determinado las propiedades indicadas en la misma y además al efectuar las pruebas en dicha planta, se determinaron los siguientes parámetros:
El combustible utilizado en la caldera, es un carbón, al cual se le realizó el análisis último, los resultados obtenidos son:
Carbono
= 0,72
Hidrógeno
= 0,13
Oxigeno
= 0,02
Azufre
= 0,02
Nitrógeno
= 0,06
Cenizas
= 0,05
T = 700 °C 4
P = 30 MPa
5
G P = 1,6 MPa
T = 700 °C
6 m2 = 1 Kg/s
3
8 P = 10 KPa
7
P = 0,6 MPa
m1 = 10 Kg/s 2 9
1
Wb = 30,2899 KJ/Kg
10
18
Del análisis de Orsat se determinó:
CO2
=
12,0%
O2
=
2,0%
CO
=
0,5%
N2
=
85,5%
Consumo de combustible = 4.500 Kg/h
Producción de residuos en la caldera = 300 Kg/h
Temperatura ambiente = 25 °C
Humedad relativa = 95%
Presión atmosférica = 100 KPa
Temperatura de los humos en la salida de la caldera = 220 °C Determinar de la planta de vapor lo siguiente:
a. Parámetros de combustión. b. Balance térmico de la caldera Solución: Los parámetros de combustión de la caldera consisten en evaluar el caudal volumétrico del aire y el caudal volumétrico de los gases producto de combustión, para ello, se procede inicialmente a calcular el aire teórico: (Ver página 3)
mta 11,52 C 34,56 ( H O ) 4,32 S 8
3.30
mta 11,52*0, 72 34,56 (0,13 0, 02 ) 4,32 *0, 02 8
mat 12, 7872 Kg de aire Kg de Comb Ahora se determina la masa real de aire (Ver página 6)
19
mra maC1
mqCq mr Cr 28 N 2 * 12(CO2 CO)*0, 769 100mq
Cr
C1
mra ma C1
3.43
100* mr 100*300 A 5 1, 6667% mq 4500
mqCq mr Cr 100mq
4500*72 300*1, 6667 0, 7189 100*4500
28 N 2 28*85,5 * C1 *0, 7189 14,9202 12(CO2 CO) *0, 769 12(12 0,5) *0, 769
Como el combustible posee Nitrógeno, a la masa real de aire se le debe practicar una corrección mediante: (Ver página 8)
mra corregida mra
%N 6 14,9202 14,8422 76,9 76,9
mrac 14,8422 Kg de Aire Kg de Comb Ahora se determina la cantidad de aire en exceso o en defecto. (Ver página 8)
Ea
Ea
mra mta *100 mta
3.44
mra mta 14,8422 12, 7872 *100 *100 16, 0708 % mta 12, 7872
Se observa que en el proceso de combustión se está utilizando aire en exceso equivalente al 16,0708 % Se procede a calcular el caudal másico de aire consumido y el respectivo caudal volumétrico.
̇
(Ver página 4)
̇
3.33
20
̇
⁄ ̇
̇ ̇
̇ ̇
̇
̅
[
3.34
]
(
[
̇
)
]
⁄
Para determinar el caudal volumétrico de los humos se requiere previamente calcular el caudal másico de humos. (Ver página 9)
4 CO2 O2 700 mq Cq mr Cr mrgs mgs * C1 * 3( CO CO ) 2 100mq
[
̇
(
)
3.47
]
⁄ ̇
(Ver página 11)
⁄ ̇
⁄
̇
̇ ̇
⁄ ̇
̇
(Ver página 5)
̇ [
̅
̇
]
(
[
⁄
)
]
21 Con estos dos parámetros es posible seleccionar o diseñar los ventiladores de tiro forzado o de tiro inducido, además de escoger el tamaño de los conductos por donde circulan el aire y los gases producto de combustión. A fin de evaluar el Balance Térmico de la Caldera, se procede según el orden indicado en el punto 3.13.3. Se calcula previamente el Poder Calorífico Superior del combustible, utilizando la ecuación de Dulong: (Ver página 1)
PCS
( KJ
Kg
) 34.108 C 145.338 ( H
PCS 34.108*0, 72 145.338 (0,13 1.
O ) 9.494 S 8
0, 02 ) 9.494 *0, 02 43.278, 24 ( KJ ) Kg 8
Calor absorbido por el Generador de Vapor
(Ver página 12) ̇ ̇
[(
)
(
3.54
)]
Al aplicar la ecuación 3.54 al problema que se está resolviendo, los subíndices de la ecuación quedan:
̇
[( ̇
)
(
)]
Se requiere determinar los valores de las diferentes entalpías. Para ello es necesario resolver la planta, la cual se evaluará utilizando los conocimientos básicos de la Termodinámica. P4 = 30 Mpa T4 = 700 °C P5 = 1,6 Mpa s5 = s4 = 6,5606 P6 = 1,6 Mpa T6 = 700 °C
} } }
h4
=
3.745,6 KJ/Kg
s4
=
6,5606 KJ/Kg-°K
Interpolando se obtiene h5
=
2861,78 KJ/Kg
h6
=
3.919,7 KJ/Kg
s6
=
8,0535 KJ/Kg-°K
22
P7 = 0,6 Mpa s7 = s6 = 8,0535
P8 = 10 Kpa s8 = s6 = 8,0535 P9 = 0,6 Mpa
}
Interpolando se obtiene
} } }
Interpolando se obtiene
h7
=
3525,055 KJ/Kg
x8 = 0,9871
h8
=
2553,78 KJ/Kg
h9
=
hf = h10 670,56 KJ/Kg
h1
=
hf = 191,83 KJ/Kg
Líquido Saturado P1 = 10 Kpa
Líquido Saturado
Si se aplica un volumen de control en la bomba, la primera ley de la Termodinámica resulta en:
wb h1 h2
h2 h1 wb 191,83 (30, 2899) 222,1199 KJ Kg
Al aplicar volumen de control en el calentador, la primera ley queda:
m h m h e e
s s
h3
m 2 (h7 h9 )
m1
h2
m1 h2 m 2 h7 m1 h3 m 2 h9
1(3.525,055 670,56) 222,1199 507,5694 KJ Kg 10
̇ ̇ [
[(
)
(
(
H1 34.367,55 KJ Kg
)] )]
23 Con el calor absorbido por el generador de vapor y con el Poder Calorífico Superior del combustible, se está en capacidad de evaluar la eficiencia de la caldera, mediante la ecuación:
Caldera
H1 34 .367 ,55 0,7941 PCS 43 .278 ,24
Caldera 79 ,41 % Pérdidas caloríficas debidas a la humedad del combustible.
2.
(Ver página 13)
H2 mhum (h'' h' f ) mhum 9
O 0, 02 9 0, 0225 Kg de humedad Kg de Comb 8 8 (Ver página 10)
}
Pparcial = 6,866 KPa
Tsat =
38,41 °C
Thumos = 220 °C
hg
2.571,43 KJ/Kg
=
h' ' hg Cp(T ' ' Tg ) h' ' hg Cp(T ' ' Tg ) h' ' 2.571, 43 1,8723(220 38, 41) 2.911, 42 KJ Kg Patm
= 100 KPa
T
= 25 °C
}
h' f
=
104,89 KJ/Kg
H2 mhum (h'' h' f ) 0,0225(2.911,42 104,89) 63,1469
H 2 63,1469 KJ Kg de Comb % H 2
63,1469 *100 0,1459 % 43 .278 ,24
24 3.
Pérdidas caloríficas debidas al agua procedente de la combustión del Hidrógeno. (Ver página 13)
H hum. form. H
O 0, 02 0,13 0,1275 Kg de humedad Kg de Comb. 8 8
(Ver página 10)
H3 9 Hhum. form. (h'' h' f ) 9*0,1275(2.911,42 104,89) 3.220,493
H 3 3.220 ,493 KJ Kg de Comb. % H 3 7,4414 % 4.
Pérdidas caloríficas debidas a la humedad del aire suministrado (Ver página 14)
Tbs
= 25 °C
= 95 %
}
mvs =
0,02 Kg de agua/Kg de aire seco
msat mvs mra 0,95*0, 02*14,8422 0, 282 Kg de agua Kg de Comb. H 4 msat Cpvapor (Tg Ta ) 0, 282*1,8723(220 25) 102,958
H 4 102 ,958 KJ Kg de Comb. % H 4 0,2379 % 5.
Pérdidas caloríficas debidas a los gases secos de la chimenea. (Ver página 14)
H 5 mgs Cpgs (Tg Ta ) 14,378*1, 0035(220 25) 2.813,523
H 5 2.813 ,523 KJ Kg de Comb. % H 5 6,501 % 6.
Pérdidas caloríficas debidas al combustible gaseoso sin quemar. (Ver página 15)
25
CO 0,5 H6 *23.817* C1 *23.817*0, 7189 684,88 12 0,5 CO2 CO
H 6 684 ,88 KJ Kg de Comb. % H 6 1,5825 % 7.
Pérdidas caloríficas debidas al combustible sin consumir contenido en cenizas y escorias (Ver página 16)
H 7 34.108*
mr Cr 300*0, 016667 34.108* 37,8985 mq 4.500
H 7 37 ,8985 KJ Kg de Comb. % H 7 0,0876 % 8.
Pérdidas caloríficas debidas al Hidrógeno e hidrocarburos sin consumir, radiación y otras pérdidas (Ver página 16)
H 8 PCS ( H1 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 ) H 8 43 .278 ,24 (34 .367 ,55 63,1469 3.220 ,493 102 ,958 2.813 ,523 684 ,88 37 ,8985 )
H 8 1.987 ,7906 KJ Kg de Comb. % H 8 4,593 % El balance térmico en el generador de vapor se puede visualizar fácilmente en la tabla 3.1
26
Forma de energía involucrada en el proceso
Poder Calorífico Superior
Entrada a la caldera
43.278,24
Calor absorbido por el agua-vapor en la caldera Pérdidas caloríficas debidas a la humedad del combustible Pérdidas caloríficas debidas al agua procedente de la combustión del Hidrógeno Pérdidas caloríficas debidas a la humedad del aire suministrado Pérdidas caloríficas debidas a los gases secos de la chimenea Pérdidas caloríficas debidas al combustible gaseoso sin quemar Pérdidas caloríficas al combustible sin consumir contenido en cenizas y escorias
Tabla 3.1: Balance térmico en la caldera
100,00 34.367,55
79,4107
63,15
0,1459
3.220,49
7,4414
102,96
0,2379
2.813,52
6,5010
684,88
1,5825
37,90
Pérdidas caloríficas debidas al Hidrógeno e hidrocarburos sin consumir, radiación y otras pérdidas
TOTAL
Salida de la caldera
43.278,24
Salida de la caldera (valor porcentual)
0,0876
1.987,79
4,5930
43.278,24
100,00
