UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA – ENERGIA INSTITUTO DE INVESTIGACION
INFORME FINAL DEL PROYECTO DE INVESTIGACION
“ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS GASES DE ESCAPE DE LA CALDERA
PIROTUBULAR DEL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS TÉRMICAS DE LA FIME, USANDO COMBUSTIBLE GLP Y DIESEL N° 2 Y SU IMPACTO SOBRE EL MEDIO AMBIENTE”
ING. JAIME GREGORIO FLORES SÁNCHEZ
(01 de Junio Junio del 2010 al 31 de de Mayo del 2012) 2012) (Resolución Rectoral Nº 705 – 2010 – R) 1
“ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS GASES DE ESCAPE DE LA CALDERA
PIROTUBULAR DEL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS MAQUINAS TÉRMICAS DE LA FIME, USANDO USANDO COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE GLP Y DIESEL N° 2 Y SU IMPACTO SOBRE EL MEDIO AMBIENTE”
ING. JAIME GREGORIO FLORES SÁNCHEZ
(01 de Junio del 2010 al 31 de Mayo del 2012) (Resolución Rectoral Nº 705 – 2010 – R) 2
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INDICE 1. RESUMEN
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2. INTR NTRODUC DUCCION CION
6
2.1. OBJETIVOS OBJETIVOS Y ALCANCE ALCANCE DE LA INVESTIG INVESTIGACIÓ ACIÓN N
6
2.2. 2.2. PROB PROBLE LEMA MA
7
2.3. IMPORTANCIA IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓN
7
3. MAR MARCO TE TEORI ORICO
9
3.1. 3.1. CALD CALDER ERA A
9
3.2. CLASIFI CLASIFICACIO CACION N DE CALDERAS CALDERAS
10
3.3. 3.3. COMB COMBUS USTI TION ON
16
3.4. 3.4. COMB COMBUST USTIBL IBLES ES
23
4. MATE MATERI RIAL ALES ES Y METO METODO DOS S
30
4.1. 4.1. MATE MATERI RIAL ALES ES
30
4.2. 4.2. METO METODO DOS S
34
5. RESU ESULTADOS
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5.1. CUADRO COMPARATIVO COMPARATIVO DE LA EFICIENCIA EFICIENCIA DE LA CALDERA CALDERA
36
5.2. DIAGRAMA DE SANKEY SANKEY PARA PARA CADA CADA COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE
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5.3. DIAGRAMA DE PERDIDAS PERDIDAS DE ENERGIA TERMICA PORCENTUAL PORCENTUAL
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6. DISCUSIÓN
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6.1. VALORIZA VALORIZACION CION DEL IMPACTO IMPACTO AMBIEN AMBIENTAL TAL
41
6.2. VALORIZACION VALORIZACION SOBRE LA SALUD SALUD DE LOS SERES SERES VIVOS VIVOS
44
6.3. IMPACTOS OCUPACIONALES OCUPACIONALES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN COMBUSTIÓN
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6.4. BUENAS BUENAS PRÁCTI PRÁCTICAS CAS OPERATI OPERATIVAS VAS
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7. REFE EFERENCI NCIAS
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8. APENDICE
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8.1. COMBUSTI COMBUSTIBLE BLE DIES DIESEL EL Nº Nº 2
56
8.2. 8.2. COMBUS COMBUSTIB TIBLE LE GLP GLP
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9. ANEXOS
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9.1. 9.1. COMBUS COMBUSTIB TIBLES LES
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9.2. VENTAJAS VENTAJAS Y DESVENTAJ DESVENTAJAS AS DEL DEL DIESEL DIESEL Y EL GLP
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9.3. 9.3. PROPI PROPIEDA EDADES DES
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9.4. DETERMIN DETERMINACIÓN ACIÓN DE LA EFICIENCI EFICIENCIA A
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9.5. NORMAS USADAS USADAS ANTERIORMENTE ANTERIORMENTE PARA PARA LA DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DE LA
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EFICIENCIA TÉRMICA TÉRMICA DE UNA CALDERA PIROTUBULAR PIROTUBULAR 3
1. RESUMEN El presente trabajo de investigación nos lleva a la conclusión que debemos tener presente de los daños que ocasionan la utilización del uso de combustible diesel en el funcionamiento de nuestra caldera sino en las diferentes industrias a nivel nacional. Se debe tener presente que los combustibles menos dañinos GLP y GN y que su utilización como combustible se debe masificar y obligar tanto a la mediana y pequeña industria, pero esto es tarea de las autoridades que tienen que cambiar y/o modificar las normas y reglamentos vigentes, dando alternativas, plazos y facilidades para que los propietarios de estos equipos hagan la conversión oportuna del combustible. Los cuadros que mostramos nos reflejan y confirman realidades que se tenían conocimiento, pero no con cifras exactas y datos reales. La eficiencia de la caldera desde un punto térmico notamos que los valores obtenidos son completamente diferentes usando los combustibles materia de análisis. Como se muestran en los cuadros la composición de sus características y propiedades difieren en porcentajes y/o composición, de ahí los resultados que se obtienen son completamente diferentes. Estos valores y resultados nos alertan a buscar otros tipos de combustible alternativos que no sean muy perjudiciales ni dañinos al medio ambiente ni a los seres vivos, específicamente tener mas cuidado con las personas que al ingerir estos gases emanados por estos equipos térmicos se están contaminando silenciosamente.
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2. INTRODUCCION Los tipos de combustibles mas usados en la actualidad son el petróleo (diesel), tanto en la industria como en el transporte, origina mas daño tanto al ser humano, animales y el medio ambiente; el presente trabajo culminado nos muestra la diferencia que existe entre éste
y el GLP,
ya sea
térmica, económica, transporte, almacenamiento,
distribución e impacto ambiental. El petróleo principal fuente de energía desde hace muchos años en todo el mundo, siendo el mas económico, fácil de transportar, distribuir y almacenar, sus reservas se están viendo mermadas y su costo cada vez es mayor, también se le atribuye su alto poder contaminante, tanto en la industria, alumbrado, así como en la automoción, ya que muchas normas en nuestro medio no se cumplen y son violadas ante la pasividad de las autoridades competentes. Como fuente de energía tiene muchas ventajas térmicas, desplazó al uso de combustibles salidos, que tienen un alto contenido de dióxido de carbono en su combustión. En la comparación con el GLP veremos que existen excelentes ventajas y diferencias, siendo su principal importancia el grado de contaminación. El GLP (acrónimo de gases licuados del petróleo), un gas combustible extremadamente limpio, ofrece numerosas ventajas tanto a los usuarios finales como a la sociedad. Se licúa con facilidad, lo que facilita su transporte y almacenamiento y lo convierte en una opción energética muy versátil. El GLP es una alternativa a los combustibles fósiles convencionales de bajo contenido en carbono y disponibilidad inmediata. Su combustión emite un 33 % menos de CO2 que el carbón y un 15 % menos que el gasóleo. Ofrece importantes ventajas medioambientales, en especial en términos de la calidad delaire interior y exterior. Se caracteriza por sus bajas emisiones de partículas y NOx además de bajo contenido en azufre y presenta muy buenos resultados para una serie de contaminantes aún sin regular. El GLP tiene numerosos usos como combustible, que incluyen, en el hogar: la calefacción y el calentamiento de agua, la cocina, alumbrado y el secado térmico, así como la generación de electricidad, calefacción industrial y combustible para automoción5. Gracias a la amplia variedad de opciones de almacenamiento y envasado 5
(cartuchos, bombonas recargables de 2 a 45 kg, depósitos subterráneos o en superficie, etc.) y a su transporte en depósitos a baja presión, está disponible en cualquier lugar. Por ello, puede utilizarse en zonas remotas, lo que contribuye fuertemente al desarrollo local y regional. Cuando se utiliza como energía limpia de reserva, también acelera el desarrollo de las energías renovables intermitentes, como la fotovoltaica, la solar térmica, la eólica y la mini hidráulica. Como carburante para automoción, el GLP es uno de los principales
alternativos,
después del petróleo y gas natural distribuido a través varios centros de expendio, es acá donde se resalta la justificación de éste trabajo de investigación, en un campo de utilización de estos dos tipos de energía, como es su uso en la caldera pirotubular de 40 BHP que existe en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Máquinas Térmicas. 2.1. OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN
Por el tipo de investigación, su beneficio podrá ser tomado en cuenta por cualquier Organización que velan por la salud de las personas y de los animales, indudablemente podrá ser aplicado en nuestra Universidad para preservar la salud de los que asistimos diariamente a ella. 2.1.1. Objetivo general:
Realizar un análisis comparativo de la eficiencia y de los gases de escape que emanan la caldera pirotubular de 40 BHP usando combustible diesel y GLP y sus consecuencias de estos sobre el medio ambiente. 2.1.2. Objetivos específicos:
Identificar los componentes de los gases de escape de una caldera utilizando dos tipos de combustible. Elaborar un cuadro comparativo de los componentes de los gases de escape con diferentes tipos de combustible. Comparar los porcentajes de los gases de escape con los valores máximos permisibles dictadas por Organismos Internacionales Comparar la eficiencia de la caldera usando los dos tipos de combustible Proponer la sustitución del uso de un combustible menos contaminante en la caldera que usa combustible contaminante, reduciendo así daños sobre los seres vivos. 6
2.2. PROBLEMA 2.2.1. Problema general:
Los gases de escape que emanan de una caldera tiene compuestos nocivos para los seres vivos, de acuerdo al tipo de combustible que se está usando, por eso en el presente análisis se hará una comparación de estos con dos tipos de combustible y su impacto sobre el medio ambiente. ¿Es posible realizar un estudio de los gases de escape de un equipo térmico estacionario y ver su impacto sobre el medio ambiente, con consecuencias y/o beneficios sobre los seres vivos en una ciudad poblada como es la Provincia Constitucional del Callao y zonas aledañas? 2.2.2. Problemas específicos:
¿Se podrá identificar plenamente todos los gases contaminantes que emanan las calderas usando dos tipos de combustible?
¿Podremos elaborar un cuadro comparativo de los gases de escape en porcentaje volumétrico de dos tipos de combustible?
¿Se podrá comparar los componentes de los gases de escape de la caldera con las Normas que rigen tanto a nivel nacional como internacional?
¿Se podrá comparar los resultados de la eficiencia de la caldera y analizar cual es mas ventajoso al usar los dos tipos de combustible?
¿Existe la posibilidad de reducir los componentes de los gases de escape de una caldera utilizando un combustible menos dañino y que no afecten mucho a los seres vivos?
2.3. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Muchos problemas sobre la buena salud de los seres vivos es por el uso indebido de los combustibles derivados del petróleo pero que su uso está sustentado por el costo tan bajo que se encuentra en el mercado, pero éstos ocasionan muchos componentes en sus gases de escape que se encuentran fuera de lo límites máximos permisibles, muy dañinos que ocasionan inclusive enfermedades tan peligrosas como el cáncer. La combustión de carbón, petróleo y gasolina es el origen de buena parte de los 7
contaminantes atmosféricos. Más de un 80% del dióxido de azufre, un 50% de los óxidos de nitrógeno, y de un 30 a un 40% de las partículas en suspensión emitidos a la atmósfera en Estados Unidos proceden de las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles, las calderas industriales y las calefacciones. Un 80% del monóxido de carbono y un 40% de los óxidos de nitrógeno e hidrocarburos emitidos proceden de la combustión de la gasolina y el gasóleo en los motores de los coches y camiones. Otras importantes fuentes de contaminación son la siderurgia y las acerías, las fundiciones de cinc, plomo y cobre, las incineradoras municipales, las refinerías de petróleo, las fábricas de cemento y las fábricas de ácido nítrico y sulfúrico.Las altas chimeneas de las industrias no reducen la cantidad de contaminantes, simplemente los emiten a mayor altura, reduciendo así su concentración in situ. Estos contaminantes pueden ser transportados a gran distancia y producir sus efectos adversos en áreas muy alejadas de donde tuvo lugar la emisión. El pH o acidez relativa de muchos lagos de agua dulce se ha visto alterado hasta tal punto que han quedado destruidas poblaciones enteras de peces. El creciente consumo de carbón y petróleo desde finales de la década de 1940 ha llevado a concentraciones cada vez mayores de dióxido de carbono. El efecto invernadero resultante, que permite la entrada de la energía solar, pero reduce la reemisión de rayos infrarrojos al espacio exterior, genera una tendencia al calentamiento que podría afectar al clima global y llevar al deshielo parcial de los casquetes polares. Es concebible que un aumento de la cubierta nubosa o la absorción del dióxido de carbono por los océanos pudieran poner freno al efecto invernadero antes de que se llegara a la fase del deshielo polar. No obstante, los informes publicados en la década de 1980 indican que el efecto invernadero es un hecho y que las naciones del mundo deberían tomar medidas inmediatamente para ponerle solución. Es por eso que debemos afrontar con severidad sobre el uso de los combustibles dañinos a la humanidad, utilizando unos menos contaminantes que permitan prolongar y conservar nuestro ecosistema.
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3. MARCO TEORICO 3.1. CALDERA
La caldera es un aparato térmico construido para generar vapor.
Aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de energía térmica, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.(BARRETO) La definición de caldera industrial señala que son dispositivos empleados para calentar agua o generar vapor a una presión muy superior a la atmosférica. (WEB) Este vapor se genera a través de la transferencia de calor hacia
el fluido,
originalmente en fase líquido, se calienta y finalmente se vaporiza; es un recipiente de presión. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de darle aplicaciones como:
Esterilización: era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" los instrumentos médicos; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización).
Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para mejorar su fluidez.
Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.
Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado. 9
3.2. CLASIFICACION DE CALDERAS 3.2.1. Clasificación de acuerdo a la circulación de los fluidos dentro de los tubos de la caldera A. Calderas de tubos de fuego o pirotubulares En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan presiones de operación de 0-20 bares (0-300 PSIG).
F i g Nº 1 Caldera pirotubular de tres pasos. Fuente: (S.A., 2010)
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Ventajas:
Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño. Mayor flexibilidad de operación.
Menores exigencias de pureza en el agua de alimentaci ón.
Son peq eñas y eficientes.
Desventajas:
Mayor ti mpo para subir presión y entrar en funciona iento.
No se deben usar para altas presiones.
Estas calder as se pueden subdividir en: de un solo paso o de múltiples pasos.
Calderas pirotubulares de un paso.
Calderas pirotubulares de múltiples pasos.
B. Calderas de agua o acuotubulares.En este tipo de unidad, los productos de la combustió rodean a los bancos de tu bos y el agua circula por el interior de dichos ubos. Manejan presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG).
Fig. Nº 2Caldera acuotubular Fuente: (Thomasset, 2011)
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Ventajas:
Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más.
Desventajas:
Mayor tamaño y peso.
Mayor costo.
Debe ser alimentada con agua de gran pureza.
3.2.2. Con relación a la configuración:
Vertical
Horizontal
3.2.3. Con relación del mecanismo de transmisión de calor dominante
Convección
Radiación
Radiación y Convección
3.2.4. Con relación del combustible empleado:
Combustibles sólidos (carbón mineral, carbón vegetal, lignito, etc.)
Combustibles líquidos (diesel, Petróleo Residual)
Combustibles gaseosos (GLP, GN)
Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.)
De recuperación de calor de gases
Mixtas
Nucleares
3.2.5. De acuerdo a la circulación del agua dentro de la caldera Es una clasificación que tiene sentido en las calderas acuotubulares, en las pirotubulares la circulación del agua en elinterior es siempre por convección natural.
a) Circulación natural. La circulación del agua y de la mezcla agua-vaporocurre naturalmente debido a la diferencia de densidades entre elagua másfría y la mezcla de agua- vapor (efecto sifón). Implica entonces tener un circuito cerrado pordonde circula el agua y una 12
diferencia de altura apreciable entrelas partes altas y bajas del equipo. Los generadores chicos, los de potencia medianay una buena parte de los grandes generadores de vapor son decirculación natural.
Fig. Nº 3 Circulación natural Fuente: (INGENIERA)
b) Circulación asistida. En este caso la circulación natural en los tubos dela caldera es complementada por bombas instaladas en el circuito. En este caso también la caldera consiste en uncircuito cerrado, pero permite construcciones más compactasincluso con tubos inclinados. Se utiliza en aquellos casos en que la diferenciaentre las densidades del fluido frío y del caliente no es demasiadogrande, típicamente para presiones superiores a los 140-160bar. Brindan una respuesta más rápida antevariaciones en la demanda de vapor que los de circulación natural,pero las bombas trabajan con agua caliente y a altas presiones,son más costosas y requieren importantes mantenimientos. Engeneral se debe instalar un sistema de respaldo para evitar laparada de toda la caldera por salida de servicio de la bomba.
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Fig. Nº 4 - Circulación asistida Fuente - (INGENIERA)
c) Circulación forzada. Este tipo de calderas tiene una concepcióndistinta, se trata de un circuito abierto y no cerrado. La bomba impulsa el agua a través de una primerasuperficie de intercambio donde se precalienta, luego pasa a unsegundo intercambiador donde se vaporiza y luego, en algunoscasos, pasa a un tercer intercambiador donde se sobrecalienta. A diferencia de las anteriores no hay una masa deagua circulando sin vaporizarse, la bomba entrega toda el aguaque se vaporiza. No hace falta resaltar la importancia de la bomba en estediseño, un paro de la bomba implica un paro de la caldera.
Fig. Nº 5 - Circulación forzada Fuente - (INGENIERA)
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3.2.6. Por el tipo de tiro:
De tiro natural
De hogar presurizado
De hogar equilibrado
3.2.7. Por el modo de gobernar la operación:
De operación manual
Semiautomáticos
Automáticos
3.2.8. Por la aplicación o uso: A) ESTACIONAMIENTO :
Instalada en tierra (industria, plantas
Termoeléctricas).
B) MOVILES
:
Navíos, Locomotoras.
C) CALEFACCION
:
Residenciales o comerciales.
3.2.9. Por la presión de trabajo (Asme): A) CALDERAS DE CALEFACCION DE BAJA PRESION.
Calderas de vapor cuya presión no exceda 1.0Skg/cm 2.
Calderas de agua caliente cuya presión no exceda 11.25kg/cm 2.
Cuya temperatura no sobrepasen los 121°C.
B) CALDERAS DE BAJA Y MEDIA PRESION.
0 - 200 psi baja presión. 201 - 500 psi media presión.
C) CALDERAS DE ALTA PRESION Y SUPERCRÍTICA.
501 - 2000 psi alta presión (grandes industria).
2001- 3209 psi muy alta presión (centrales eléctricas).
Más de 3219 psi (calderas supe críticas).
3.2.10.Por la forma de los tubos: A) CALDERAS DE TUBOS HORIZONTALES. B) CALDERAS DE TUBOS VERTICALES. C) CALDERAS DE TUBOS RECTOS. D) CALDERAS DE TUBOS DOBLADOS. E) CALDERAS DE TUBOS CURVOS (calderas tipo serpentín). 15
3.2.11.Con relación al tipo de fluido: A) CALDERA DE VAPOR (medio de trasporte vapor de agua). B) CALDERA DE AGUA CALIENTE (medio de transporte agua a temperatura inferior a 110°C).
C) CALDERA DE AGUA SOBRECALENTADA (medio de transporte a temperatura superiora 110°C).
D) CALDERA DE FLUIDO TÉRMICO (medio de transporte: aceite, metales líquidos, dowtherm (C 12H10,C12H10O) ).
3.2.12.Por el tipo de estructura: A) CALDERA TIPO PAQUETE.Forman una unidad compacta con aparatos accesorios auto contenido, son armados totalmente en la fábrica. La unidad está montada sobre un armazón de acero estructural lista para su instalación.
B) CALDERA AUTOMATICA.Son aquellas que realizan su ciclo normal en funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial de servicio o en caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calorífica.
3.3. COMBUSTION Definimos la combustión como una reacción química rápida exotérmica en la que se realiza la oxidación de una sustancia y la reducción de otra. La combustión es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego. (wikipedia). La combustión es una reacción química en la que un elemento combustible se combina con otro comburente (generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso), desprendiendo calor y produciendo un óxido; la combustión es una reacción exotérmica que produce: calor al quemar, luz al arder. (yahoo) Para que se produzca la combustión es necesario que estén presentes tres elementos fundamentales: 16
Comburente: es la sustancia que se reduce. El comburente más habitual es el oxígeno contenido en el aire atmosférico.
Combustible: la sustancia que se oxida, es decir, el elemento que se quema. Los más habituales son C, H, O y a veces, N y S.
Temperatura de ignición: debe ser lo suficientemente elevada como para producir el encendido.
Las reacciones químicas deben satisfacer unas condiciones para que tengan lugar en el proceso de combustión:
Adecuada proporción entre combustible y comburente.
La mezcla de las dos sustancias debe ser uniforme.
La temperatura de ignición se establecerá y será monitorizada de manera que el combustible continúe su ignición sin calor externo cuando comience la combustión.
Las tres funciones más importantes que tiene un hogar desde el punto de vista de la combustión son: a) Proveer el espacio necesario para acomodar la llama, sin que ésta toque los tubos. De no evitar esto, se corre el riesgo de la extinción anticipada de los extremos de la llama que entran en contacto con los tubos, ya que estos últimos están a mucho menor temperatura que la llama. Este fenómeno se exterioriza mediante la emisión de humos, producto de una combustión incompleta. b) Mantener la temperatura de la llama y de los gases lo más alta posible durante el tiempo necesario con la finalidad de que la combustión se complete sin humos ó cenizas. c) Proveer un recinto hermético que evite las fugas de gases o entrada de aire ajeno a la combustión.
3.3.1. Exceso de aire El exceso de aire se debe a que el tamaño de las partículas del combustible impide una mezcla perfecta entre el combustible y el comburente y a que el tiempo que permanece la mezcla dentro del hogar es muy corto, saliendo por la chimenea una parte de aire que no ha reaccionado. Al introducir mayor comburente, aparecen reacciones secundarias. Esto obliga a emplear una 17
cantidad real de aire comburente mayor del aire mínimo de combustión; por tanto, el exceso de aire es la diferencia entre el aire realmente introducido y el aire mínimo calculado. Se queman las sustancias combustibles del combustible, hasta el máximo grado de oxidación, esto quiere decir que no tendremos sustancias combustibles en los humos. Un punto crítico la posible formación de ácido sulfúrico generado por el azufre que contienen los combustibles provoca corrosiones en los conductos y chimeneas cuando se condensa por debajo de 150ºC; si se producen estos ácidos, tendremos que evacuar los humos a temperaturas superiores por la chimenea, con lo que se producen pérdidas de calor importantes (Pérdidas por el calor sensible de los humos).
3.3.2. Rendimiento de la combustión El rendimiento de combustión es la relación entre la fracción de energía realmente liberada en el proceso, y el total teórico disponible, que da una idea del grado de aprovechamiento del combustible, para las condiciones de trabajo dadas. El factor que tiende a disminuir dicho rendimiento es el escaso tiempo disponible para el proceso, para controlar ese factor se debe aumentar el tiempo o “estadía” de los gases en el hogar, para lo cual se puede aumentar
el recorrido de los gases aumentando las dimensiones, o bien, aumentar dicho recorrido sin aumentar las dimensiones físicas del hogar, pero modificando la circulación en forma de flujo helicoidal (hogares ciclónicos). El hogar de una unidad convencional de carbón pulverizado (relativamente grande), facilita un tiempo de residencia suficiente para que el O2 pueda penetrar en los productos de combustión que se mantienen alrededor de las partículas de carbón y para refrigerar la ceniza a fin de evitar el ensuciamiento del paso de convección. De esta forma se pueden utilizar combustibles residuales sin riesgo de emisiones peligrosas ni problemas operativos. Los diferentes tipos de combustibles implican diferentes porcentajes de 18
exceso de aire para el funcionamiento satisfactorio. El tipo de combustible no solamente determina la configuración física de los quemadores y el hogar, sino que también determina el flujo de aire requerido, como por ejemplo:
Carbón y combustibles sólidos en general: 20 a 30% de exceso de aire
Combustibles líquidos: 15%
Combustibles gaseosos: 10 a 15%
3.3.3. Control de la combustión: Para el control de la combustión es necesaria regular la entrada de combustible para mantener un suministro continuo de vapor a una presión constante, y de regular la entrada de aire a la caldera en proporción correcta a la entrada de combustible. Actualmente comienza a haber importantes cambios económicos y de las condiciones de funcionamiento de la industria. Por lo tanto, es rentable introducir sistemas de control de tecnología avanzada para:
Mantener una presión del vapor constante y un caudal acorde con las variaciones de la carga.
Optimizar el consumo de combustible a través de un aumento en el rendimiento.
Reducir las emisiones contaminantes.
3.3.4. Métodos de control de la combustión 3.3.4.1.
Control mecánico: La variable primaria a controlar es la presión de vapor, la cual es medida por un presostato modulante. Hay una señal que posiciona eléctricamente un motor que acciona directamente la válvula de fuel oil. El motor acciona a la vez una leva mecánica que mueve el corta tiros de regulación del aire comburente. Esta leva esta diseñada para mantener constante la relación airecombustible a las diferentes marchas de la caldera.
19
3.3.4.2.
Control neumático directo: La variable a controlar es la presión del vapor y el sistema mecánico anterior se ha sido sustituido por un sistema neumático. Tanto este sistema como el anterior funcionan teniendo en cuenta unas condiciones de combustión impuestas, es decir, de una relación aire/combustible prefijadas de antemano. No todo son ventajas, en nuestra contra aparecen desequilibrios en la combustión prefijada, produciéndose oscuridad de humos e inquemados.
3.3.4.3.
Control de medida en serie: La presión de vapor actúa posicionando la válvula de entrada del combustible. El caudal de combustible medido posiciona el cortatiros de regulación del aire comburente a través de una estación manual de relación aire-combustible. Podemos mejorar el sistema introduciendo las medidas de caudal de combustible y aire comburente, que actúan como amortiguamiento del sistema. Al principio actúa sobre el combustible, lo que implica una existencia de un desfase en determinados momentos o prolongados que significa un mayor consumo no justificado.
3.3.4.4.
Control de medida en paralelo: El aire y el combustible responden simultáneamente a las variaciones de la carga, en vez de responder primero uno de ellos y luego el otro, por tanto, se reducen los periodos transitorios.
3.3.4.5.
Control de medida en paralelo con límites cruzados: Con este sistema se consigue que siempre se disponga de aire en exceso para la combustión ya que:
Cuando aumenta la carga, aumenta primero el caudal de aire y luego el caudal de combustible.
Cuando disminuye la carga, se reduce primero el combustible y después el aire.
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3.3.5. Analisis de los combustibles 3.3.5.1. Análisis gravimétrico o elemental. Es el que especifica el porcentajeenmasa de los elementos químicos del combustible.
3.3.5.2.
Análisis Volumétrico. Es el que especifica los porcentajes en volumen o en moles de los compuestos que integran el combustible.
3.3.6. Procesos de combustion:
Ecuación de Reacción. Es la expresión cuantitativa de las sustancias que intervienen en una reacción: C + O 2 = CO2
Fig. 6Grafico de Procesos de combustión Fuente – El Autor
Reactivos. Son sustancias que ingresan a la combustión: el combustible y el comburente.
Productos. Son sustancias que resultan del proceso de combustión
Combustión completa. Es la combustión en cuyos productos no se encuentra el monóxido de carbono, por ejemplo el C se oxida completamente formandoCO 2; el H hasta H2O. CXHy + A ( O2 + 3,76N2) bCO2 + dH2O + N2
Combustión ideal o teórica. Es aquella combustión completa en la que el oxigeno suministrado es el 'mínimo indispensable.
Combustión incompleta. En los productos de la combustión se encuentran el CO. El C reacciona formando CO y CO 2 en proporciones desconocidas, que dependen de la cantidad de O 2 utilizado y del 21
procedimiento empleado para mezclar el combustible con el aire.
Aire estequiometrico o aire teórico (at ). Es la cantidad de aire que proporciona el oxigeno estrictamente necesario para la combustión completa de los elementos oxidables del combustible.
Mezcla estequiometrica. Es aquella que contiene las proporciones de aire y combustible mínimos necesarios para la combustión completa.
Relación aire-combustible. Es el cociente entre la masa del aire y la masa del combustible utilizado en la combustión, Ra/c.
El aire estequiometrico. El aire tiene por composición volumétrica promedio de 78% de nitrógeno, 21% de oxigeno y 1% de otros gases, en la practica se considera 79% de nitrógeno y 21% de oxigeno. En la composición gravimétrica del aire se considera en la practica
770/ c e
nitrógeno y 23% de oxigeno.
Combustión ideal con aire. Se considera que el hidrogeno se oxide hasta formar H 2O y el C hasta CO2; el S hasta SO 2 o SO3
Combustión real. La combustión real siempre resulta incompleta ya sea utilizando aire teórico o en exceso y/o defecto, en los productos aparecerá CO, CO2: CXHy+A(O2+3.76N2)=bCO2+dCO+eH2O+fN2+gO2
Los coeficientes alfanuméricos que aparecen en la ecuación su valor se calcula haciendo el balance respectivo, puede o no salir exceso de oxigeno, dependiendo del aire que ingresa a la cámara de combustión, ya sea en un proceso isobárico o volumétrico, para la caldera en estudio sobre los gases que arrojan a la atmosfera ambiental son el gas licuado de petróleo y el diesel N°2, en donde haremos el balance de combustión mediante el método volumétrico. Posteriormente haremos las pruebas reales en la caldera y analizar sus gases de escape y obtener resultados que permitan analizar con más detalle y ver el exceso de aire y /o defecto. Para realizar un balance energético de una caldera de vapor es necesario tomar valores reales de los principales parámetros de la misma cuando está funcionando con los dos tipos de combustible. Para esto es necesario utilizar 22
la
metodología
recomendada por las (350.300,
2002)que dice:
"Procedimiento para la determinación de la Eficiencia Térmica de calderas Industriales", presenta dos métodos: método directo y el indirecto. El método directo involucra el ingreso y la utilización de calor de modo que la eficiencia térmica se calcula mediante: η = ( Qa /Qc ) x 100 El método indirecto involucra el ingreso y la pérdida de calor, de modo que la eficiencia térmica se calcula por: η = (1 — Qp/ Qc) x 100 El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores de combustiónabsorbido y perdido respectivamente. El calor absorbido por el fluido de trabajo. Qa = m W (hs — he) El calor perdido es igual a la suma del calor residual contenido en los gases de combustión y el calor que se transfiere al ambiente a través de lasparedes de la caldera. El método indirecto que es el mas confiable es el que utilizaremos para realizar el análisis energético de la caldera utilizando
los
dos
tipos
de
combustibles ya mencionados con los que trabaja la caldera del laboratorio de la Facultad.
3.4. COMBUSTIBLES Combustible es toda sustancia capaz de arder, es decir, aquella capaz de combinarse con el oxígeno en una reacción exotérmica. Las características más importantes de los combustibles son:
Poder Calorífico: Es la energía por unidad de masa del combustible que se libera en una
combustión completa y perfecta.
El poder calorífico es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. (wikipedia)
Poder Calorífico Superior (PCS): Tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua generada en la combustión.
Poder Calorífico Inferior (PCI): No tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua formada en la combustión.
Poder Comburívoro:
Es la masa de aire necesaria para realizar la
23
combustión estequiométrica de 1 Kg. de combustible.
Poder Comburívero es la cantidad estequiométrica de aire seco necesario para la combustión completa de una unidad de masa o volumen de combustible, referida a las condiciones normalizadas, medido en Nm³/kg o Nm³/Nm³, según se trate de combustible líquido o sólido o bien gaseoso, respectivamente. (UTU)
Poder Fumígero : Es la masa de humos secos producidos en la combustión de 1 Kg. de combustible.
Poder Fumígero: es la cantidad de gases resultante de la combustión con aire estequiométrico de una unidad de masa o volumen de combustible, referida a las condiciones normalizadas, medido en Nm³/kg o Nm³/Nm³, según se trate de combustible líquido o sólido o bien gaseoso, respectivamente. (UTU)
Límites de Inflamabilidad (Inferior / Superior) (Li / Ls): Es el valor mínimo /máximo del porcentaje de combustible que debe estar presente
en la mezcla para que se produzca la combustión.
Temperatura de combustión: Es la temperatura, superior a la de inflamación, a la que se produce la combustión de los vapores de un combustible durante 5 o más segundos cuando se pone en contacto con una llama.
3.4.1. TIPOS DE COMBUSTIBLES Los distintos tipos de combustibles se clasifican en el siguiente cuadro:
24
TABLA Nº 1 Fuente – (MAVAINSA)
25
3.4.1.1.
Combustibles Solidos Dentro de este tipo de combustibles se tienen:
Madera: es el combustible mas antiguo y mas tradicional, si bien es económico no presenta gran interés en la industria por no tener un elevado poder calorífico.
Carbón Natural: Combustible fósil sólido, formado a partir de antiguas plantas que crecieron en pantanos o a lo largo de las costas. Los tipos de carbón natural con sus características más sobresalientes son:
1. Turbas: Contenido en Carbono: 50-60 %; Humedad: 70-80 %; PCI = 750 Kcal/Kg 2. Lignitos: Contenido en Carbono: 65-75 %; Humedad: 50-70 %; PCI = 3500 Kcal/Kg 3. Hullas: Contenido en Carbono: 75-85 %; Humedad: 5-15 %; PCI = 8500 Kcal/Kg 4. Antracita: Contenido de Carbono: > 90 %; Humedad:< 3 %; PCI = 8000 Kcal/Kg
Fig. 7Carbon natural Fuente -(MAVAINSA)
26
El contenido de humedad es igual a la masa de agua evaporada dividida por la masa de la muestra. El contenido de humedad de una muestra de combustible produce una pérdida de poder calorífico del mismo. La Antracita, si bien no es el carbón de mayor poder calorífico, es el mejor combustible de los carbones por su alta composición en Carbono y escaso porcentaje de humedad.
Carbón Vegetal: La madera es un compuesto formado por Oxígeno, Hidrógeno, Carbono y Nitrógeno. Estos elementos se transforman en otros compuestos a través de la combustión. Si se quemara la madera al aire libre, se logra que ésta se consuma por completo; en cambio si la misma se quemara en espacios cerrados que sólo dispongan unas pequeñas aberturas para el paso del aire, se logrará que las sustancias que necesitan menos cantidad de oxígeno ardan antes que las otras. De esta forma, una vez que se detenga la combustión de manera adecuada, se podrá recoger las sustancias de la madera que no han entrado en combustión, las cuales forman lo que se denomina Carbón Vegetal. Por lo expuesto, se entiende que el carbón vegetal no es más que leña que ha sufrido una combustión incompleta. Posee un calor específico inferior del orden de 6500 Kcal/Kg.
3.4.1.2.
Combustibles Líquidos Dentro de este tipo de combustibles, los más utilizados en la industria son aquellos derivados del petróleo. Del petróleo se obtienen los siguientes hidrocarburos, usados en la industria:
Gasoil: Pertenecen a esta categoría de destilados puros, compuestos por una gama de hidrocarburos cuyo número de átomos de Carbono está comprendido entre 14 y 20. Su temperatura de ebullición oscila entre 220-390º C. Su punto de inflamación es 55º C, posee un poder calorífico inferior igual a 10200 Kcal/Kg.
Fuel Oil: Son los residuos pesados de la destilación del petróleo y forma hidrocarburos entre 25 y 35 átomos de Carbono. Su punto de inflamación 27
es 65º C, posee un poder calorífico inferior igual a 9800 Kcal/Kg. Las propiedades más importantes de los combustibles líquidos son: 1. Viscosidad: Resistencia de un fluido a fluir (Sirve para determinar la pérdida de carga y las condiciones de pulverización). 2. Fluidez Crítica: Temperatura a la cual el fluido deja de fluir. 3. Inflamabilidad: El Punto de Llama es la temperatura a la cual el combustible produce suficiente cantidad de vapores para que la mezcla de éstos con el aire sea capaz de inflamarse al contacto con una llama piloto. Si la combustión se produce en forma espontánea, sin llama piloto, la temperatura a la cual se produjo se denomina Punto de Inflamación del combustible. Por esta razón, no debe almacenarse un combustible a temperaturas superiores a su Punto de Inflamación. 4. Contenido de Azufre: En una combustión, el Azufre genera Dióxido de Azufre en combinación con el Oxígeno del aire. Si el tiro no funciona correctamente puede condensar el vapor de agua generado en la combustión y éste en combinación con el Dióxido de Azufre dan como resultado Acido Sulfúrico (Agente corrosivo para la instalación). 5. Contenido de Agua: El contenido de Agua en un combustible disminuye su poder calorífico; razón por la cual la misma debe eliminarse o bien minimizarse.
3.4.1.3.
Combustibles Gaseosos Dentro de este tipo de combustibles, los más usados industrialmente son:
Gas Natural: Mezcla de hidrocarburos ligeros, formado principalmente por metano. Posee gran rendimiento, es de fácil manejo, su poder calorífico superior es igual a 9300 Kcal/m3.
Gas Licuado de Petróleo (GLP): Compuesto por butano y propano. Se obtiene en las operaciones de refino del petróleo. Se licua a baja temperatura y alta presión para almacenarlos (Ocupan un volumen reducido en estado líquido, aumentando el mismo aproximadamente 300 veces a temperatura ambiente y presión atmosférica). Su poder calorífico inferior es igual a 10950 Kcal/Kg. 28
Las propiedades más importantes de los combustibles gaseosos son: 1. Densidad Relativa (ρr) : Con respecto al aire seco a 0 º C y 1 atmósfera de presión. 2. Intercambiabilidad de los gases combustibles: Dos gases que están a la misma temperatura son intercambiables entre sí en un mismo quemador cuando, con las mismas condiciones de suministro, mantienen las mismas características de combustión (Dan llamas idénticas sin cambiar la regulación y geometría de los quemadores). Para determinar la intercambiabilidad se utiliza el Indice de Wobbe: =
….. Ec3.1
3. Módulo de un gas: Dos gases de Indice de Wobbe(PERUANAS, 2006)diferente son intercambiables entre sí, cuando al suministrarlos presiones diferentes, tienen el mismo módulo y producen el mismo caudal calorífico. El Módulo de un gas es: =
….. Ec 3.2
3.4.2. Criterios para la elección de un combustible Los criterios a tener en cuenta para la elección del combustible a utilizar en la caldera son:
La ubicación geográfica de la industria.
Las posibilidades de aprovisionamiento.
El precio del combustible.
Problemas ambientales derivados de su uso.
3.4.2.1.
Importancia de la elección de un buen combustible en las calderas
Los combustibles están caracterizados por su poder calorífico, grado de humedad y los porcentajes de materias volátiles y de cenizas.
Estos datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas. 29
El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos grandes categorías:
Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente, cediendo calor: carbono, hidrógeno, azufre, etcétera.
Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán cono tales a los residuos de la combustión: agua, nitrógeno, cenizas, etc.
4. MATERIALES Y METODOS 4.1. MATERIALES
Fig. 8 - CALDERO PIROTUBULAR 3 PASOS SERIE 040-98 POTENCIA40BHP SUPERFICIE CALEFACCION 200pie2 Fuente – Caldera de la FIME
30
Fig. 10 BACHARAT (Equipo digital utilizado para el análisis de gases de combustión ) Fuente – Caldera de la FIME
Fig. 11 CICLÓMETRO (Instrumento para medir las temperaturas de Bulbo seco y de bulbo húmedo) Fuente – Caldera de la FIME
Fig. 12 Contador digital para medir la cantidad de masa que atraviesan las tuberías. Fuente – Caldera de la FIME
31
Fig. 13 Tanque de condensado (recuperación de condensados) Fuente – Caldera de la FIME También cuenta con los siguientes equipos:
Display
Bomba de agua
Tanque hidroneumático
Ablandador
Tanque de combustible
Colector de vapor
Accesorios de la instalación
Calentador de agua
Quemador (llama baja, llama alta)
Regulador de presión
4.1.1. Condiciones del equipo Las condiciones que debe cumplir el equipo para realizar la prueba de eficiencia, son las siguientes: a) La caldera a probar no debe estar afectada por otros equipos. b) Durante la prueba no se deben de realizar purgas. c) Durante la prueba no se debe de realizar soplado de hollín. d) No debe de haber fugas de gases de combustión ni infiltraciones de aire. e) El monóxido de carbono en los gases de combustión no debe ser mayor de 200 cm 3 /m3 (ppm). f) La temperatura del agua a la entrada de la caldera deberá permanecer constante, con una variación de
2°C.
32
4.1.1.1.
Calderas de vapor: a) La caldera debe probarse a su máxima capacidad, variación máxima de 15%. b) La presión de prueba de la caldera debe ser la presión normal de operación y permanecer constante (Variación máxima de
4.1.1.2.
7%).
Calderas de agua caliente: a) La caldera debe probarse a su máxima capacidad, la variación del flujo no debe exceder del
10%.
b) La temperatura del agua a la salida de la caldera deberá permanecer constante, con una variación de
2°C.
4.1.2. Variables a medir
Combustible: Flujo, presión y temperatura en caso de combustible liquido y gaseoso.
Caldera de vapor: Presión del vapor generado, temperatura del vapor, temperatura de los gases de escape, temperatura de las superficies exteriores en el lado del agua y el de fuego, índice de bacharah y composición de los gases de escape con el equipo bacharah, flujo y temperatura de agua de alimentación, flujo de vapor producido.
Sala de caldera: temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo, presión barométrica, velocidad del viento cercano a la caldera.
Las variables a medir son:
33
Tg
temperatura de gases de combustión a la salida del equipo, °C
[O2]
Concentración de oxigeno en gases de combustión(base seca).
[CO]
Tsf
Tsg
concentración de monóxido de carbono en gasesde combustión (base seca), °C temperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre al fluido de trabajo, °C temperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre a los gases de combustión, °C
B
Índice de Bacharach.
Ta
temperatura del aire ambiente alrededor de la caldera, °C
V
velocidad del viento, m/s
TABLA Nº 2 - Lista de símbolos utilizados en la NTP FUENTE - NTP 350.300 – 2002 – Pg. 9 de 28 4.2. METODOS 4.2.1. Método de prueba Determinación de la eficiencia térmica a partir del balance de energía de una caldera es posible calcular la eficiencia térmica de dos maneras: a) Método Directo b) Método Indirecto El Método Directo involucra el ingreso y la utilización de calor, de modo que la eficiencia térmica se calcula mediante: η=
̇ ̇
x 100………… Ec. 4.1
El Método Indirecto involucra el ingreso y la pérdida de calor, de modo que la eficiencia térmica se calcula mediante: η= 1−
̇ ̇
x 100………… Ec. 4.2
34
El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores de combustión, absorbido y perdido, respectivamente.
4.2.2. Hojas de datos Se muestra el cuadro promedio de los datos obtenidos en cada una de las pruebas realizadas, en donde se obtuvieron cinco muestras Tsf
43.92 ºC
Tsg
92.31 ºC
B
3
Ta
20.75 ºC
V
0.31 m/s
TABLA Nº 3 – Datos obtenidos FUENTE – El Autor NOTA: El Índice del bacharch no lee compuestos de azufre y otros gases
5. RESULTADOS En los años de experiencia como docente- investigador que tengo en el campo de la energía he podido deducir y concluir sobre lo perjudicial que son los gases que emanan no solo las calderas sino también las maquinas de combustión interna, dañando nuestro ecosistema, que cada día se ve mas vulnerable por la falta de cumplimento de las normas y leyes dictadas por los gobiernos de turno en los países sobre todo sub desarrollados industrialmente. A continuación se muestra el cuadro comparativo de resultados de la determinación de la eficiencia de combustión de la caldera pirotubular de 40BHP del laboratorio de mecánica de fluidos y maquinas térmicas, materia de análisis del presente proyecto de investigación.
35
5.1. CUADRO COMPARATIVO DE LA EFICIENCIA DE LA CALDERA COMBUSTIBLE DIESEL2
COMBUSTIBLE
%
GLP %
P1 = 9.2568
P1 =5.6195
P2 = 0.2031
P2 = 0.2856
P3 = 0.0110
P3 = 8.7272 x10-6
P4 = 1.354
P4 =1.354
Perdida por convección, P 5
P5 = 2.4854
P5 =2.4854
Perdida por radiación, P6
P6 = 2.8635
P6 = 2.8635
η = 83.8262
η = 87.3919
Perdida por entalpia de los gases de escape, P 1 Perdida entalpica del vapor de agua en los gases, P 2 Perdidas
por inquemados
gaseosos, p3 Perdida
por
inquemados
sólidos, P4
Eficiencia por el método sugerido por las Normas Técnicas Peruanas
Fuente – El Autor
5.2 DIAGRAMA DE SANKEY PARA CADA COMBUSTIBLE 36
GRAFICO Nª1 PERDIDAS PORCENTUALES DIESEL FUENTE – EL AUTOR
37
GRAFICO Nª2 PERDIDAS PORCENTUALES GRAFICO GLP FUENTE – EL AUTOR
38
5.3 DIAGRAMA DE PE DIDAS DE ENERGIA TERMICA PORC NTUAL
DIESEL 2
Perdida por entalpia de los gases de escape, P1
2,8635
Perdida en alpica del vapor de agua en los gases, P 2 2,4854 9,2568
Perdidas por inquemados gaseosos, 3 Perdida por inquemados sólidos, P4
1,354
Perdida por convección, P5 Perdida por radiación, P6
0,011 0,2031
GRAFICO ª1 PERDIDAS PORCENTUALES DIESE FUENTE – EL AUTOR
39
GLP
Perdida por entalpia de los gases de escape, P1
2,8635 5,6195
Perdida entalpica del vapor de agua en los gases, P2 Perdidas por inquemados gaseosos, p3
2,4854
Perdida por inquemados sólidos, P4 1,354
Perdida por convección, P5
0,00000872
0,2856
Perdida por radiación, P6
GRAFICO ª1 PERDIDAS PORCENTUALES DIESE FUENTE – EL AUTOR
40
6. DISCUSIÓN Una vez que se realiza el balance energético de una caldera de vapor y tomado los valores reales de los principales parámetros de la misma cuando esta funcionando con los dos tipos de combustible y estos se tabulan utilizando la metodología recomendada por las (350.300, 2002)que dice: "Procedimiento para la determinación de la Eficiencia Térmica de calderas Industriales", presenta dos métodos: método directo y el indirecto. El método directo involucra el ingreso y la utilización de calor de modo que la eficiencia térmica se calcula mediante: η = ( Qa/Qc ) x 100 ……. Ec. 6.1
El método indirecto involucra el ingreso y la perdida de calor, de modo que la eficiencia térmica se calcula por: r = (1 — Qp/ Qc ) x 100……. Ec. 6.2 El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores (le combustión absorbido y perdido respectivamente. El calor absorbido por el fluido de trabajo. Qa = mw (hs — he) ……. Ec. 6.3 A continuación detallamos el impacto de los gases de escape de la caldera sobre el medio ambiente y sobre todo lo que ocasiona sobre la salud de los seres vivos.
6.1. VALORIZACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL Se consideran los siguientes casos particulares más importantes:
6.1.1. Impacto Ambiental Es el conjunto de efectos positivos y negativos que una actividad económica, en marcha o proyectada, ejerce sobre el nivel de vida y el ambiente físico de su zona de influencia. El concepto de impacto ambiental y la evaluación del 41
mismo consideran que el crecimiento económico real y a largo plazo debe estar sustentado con un plan de protección ambiental. Por lo general, la evaluación del impacto ambiental es un estudio formal que origina decisiones en el nivel gerencial dentro del proceso de planificación de grandes proyectos dedicados al uso intensivo de mano de obra local, recuperación y protección de los recursos naturales o de minimización de desechos en general. La valoración y evaluación del impacto ambiental resulta de un diagnóstico de la presión que ejercen las diferentes industrias sobre el medio ambiente, específicamente en nuestro caso aquellas que requieren para sus procesos la utilización de energía térmica, y para esto son evaluados los aspectos relacionados con generación de emisiones, vertimientos y residuos sólidos, así como las consecuencias del proceso sobre la salud humana, con el objeto de promover la toma de decisiones en el nivel gerencial, público y privado, a favor del uso racional de los recursos naturales, el mejoramiento de la eficiencia del proceso de combustión y la minimización de los efectos sobre la población afectada Los principales aspectos e impactos ambientales asociados al proceso de combustión se pueden resumir en los siguientes puntos:
6.1.2. Contaminación atmosférica Ocasionada por la emisión de gases y partículas, entre las que se cuentan monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, material particulado, humos, metales pesados y la formación de agentes oxidantes como el ozono, al igual que ácidos como nítrico y sulfúrico. La emisión de las sustancias anteriormente mencionadas es causante de los impactos ambientales smog fotoquímico, lluvia ácida y calentamiento global, principalmente. El smog fotoquímico se refiere a la formación de constituyentes oxidantes en la atmósfera, como el ozono, debido a la reacción fotoinducida de los hidrocarburos o compuestos orgánicos volátiles COV, y óxidos de nitrógeno. La lluvia ácida se refiere a las reacciones atmosféricas que pueden ocasionar 42
una precipitación con un valor de pH menor que el de las precipitaciones normales. Los agentes causantes de la formación de lluvia ácida están asociados con la emisión de dióxido de azufre y posiblemente con la emisión de óxidos de nitrógeno, junto con ácido clorhídrico gaseoso. La influencia de la contaminación 'del aire sobre los balances térmicos de la atmósfera y sobre la absorción y reflexión de la radiación solar incidente se constituye en un aspecto ambiental relevante. Debido al aumento del nivel de dióxido de carbono y otros compuestos carbonados en la atmósfera, la superficie de la tierra ha comenzado a mostrar mayores temperaturas, ocasionando el cambio climático de los ecosistemas a nivel mundial.
Combustible Carbón bituminoso Fuel oil Petróleo Gas natural Gas licuado kerosene
Unidad
Partículas
SO2
NO,,
Hidrocarburos
CO
(un)
KgíUn
Kg/Un
Kg/Un
Kg/Un
Kg/Un
Ton
6.5
19
7,5
0,5
1
Ton M 1000 m Ton Ton
2.87 0,21 0,29 0,38 3
19 0,01 6,6 0,02 17
7,5 1,43 3 2,6 2,3
0,37 0,036 0,048 0,065 0,4
0,52 0,19 0,27 0,35 0,25
TABLA N°4.- Emisiones asociadas a la combustión de algunos combustibles.
Fuente: HOUGEN: principios de los procesos químicos - ANÁLISIS AMBIENTAL PROCESO DE COMBUSTIÓN Marzo 2004 – Pg. 25 Por otro lado, si se tiene en cuenta que el proceso de combustión maneja altos requerimientos de oxígeno y que la fuente de suministro utilizada en la mayoría de los casos corresponde a aire atmosférico, debe garantizarse suministro continuo y adecuado del mismo, el cual se logra mediante la utilización de un ventilador generalmente, el cual puede llegar a ocasionar altos niveles de ruido si no es operado adecuadamente y se garantiza el mantenimiento preventivo del mismo. 43
6.1.3. Contaminación hídrica La contaminación hídrica relacionada con el proceso de combustión, se encuentra asociada a la utilización del recurso agua en procesos de enfriamiento y limpieza de equipos principalmente. La carga contaminante del vertimiento en estos casos se encuentra relacionada con la presencia de fosfatos, los cuales se emplean para evitar la corrosión y la formación de costras en tuberías. El lavado de carbón de forma inadecuada, cuando ésta es la fuente de combustible utilizada, así como un inadecuado almacenamiento del mismo, causa contaminación de los cuerpos de agua superficial por arrastre de sustancias a los mismos. La lluvia ácida, provocada por las emisiones gaseosas, causa una alteración grave sobre los cuerpos de agua superficial, y de esta forma se ven alterados los ecosistemas.
6.1.4. Residuos Sólidos El empleo de combustibles de tipo sólido trae como consecuencia la generación de cenizas e inquemados, los cuales se constituyen en residuos sólidos de carácter básico. De otro lado en las operaciones de limpieza en los equipos de combustión, así como en la manipulación de los combustibles, pueden tenerse residuos sólidos de carácter especial, representados principalmente en trapos y estopa impregnados de combustible.
6.2. VALORIZACIÓN SOBRE LA SALUD DE LOS SERES VIVOS Algunos de los principales contaminantes atmosféricos son substancias que se encuentran de forma natural en la atmósfera. Los consideramos contaminantes cuando sus concentraciones son notablemente más elevadas que en la situación normal. Así se observa en la siguiente tabla en la que se comparan los niveles de concentración entre aire limpio y aire contaminado.
44
COMPONENTE
%VOLUMEN
% PESO
NITR GENO
78,03
75,58
OX GENO
20,99
23,08
ARG N
0,94
1,28
DI XIDO DE CARBONO
0,035
0,053
NE N
0,0024
0,0017
OTROS GASES INERTES
0,0024
0,0017
HIDR GENO
0,00005
0,000004
TABLA Nº5 - Composición natural del aire. Fuente: Diversos Tratados generales de Química. Componentes
Airelimpio
Airecontaminado
SO2
0.001−0.01 ppm
0.02−2 ppm
CO2
310−330 ppm
350−700 ppm
CO
<1 ppm
5−200 ppm
NOx
0.001−0.01 ppm
0.01−0.5 ppm
Hidrocarburos
1 ppm
1−20 ppm
Partículas
10−20 ð g/m3
70−700 ð g/m3
TABLA Nº5.A - Composición natural del aire. Fuente: Diversos Tratados generales de Química. 6.2.1. Óxidos de carbono La presencia en la atmósfera se manifiesta sobre todo en forma de dióxido de carbono (CO2) en un fracción correspondiente a 315ppm, así como monóxido de carbono (CO) en aire, para q este fuera considerado como no contaminante su proporción debería ser < 1ppm de CO.
45
6.2.1.1.
Monóxido de carbono Es un gas sin color, olor ni sabor. Es un contaminante primario. Es tóxico porque envenena la sangre impidiendo el transporte de oxígeno. Se combina fuertemente con lahemoglobina de la sangre y reduce drásticamente la capacidad de la sangre de transportar oxígeno. Esresponsable de la muerte de muchas personas en minas de carbón, incendios y lugares cerrados (garajes, habitaciones con braseros, etc.)
% HbCO
EFECTOS DEL CO EN LA SALUD
<1
Ningunoaparente.
1-2
Alteraciones en la conducta. Efectos en el Sistema Nervioso Central:
2-5
>5 10-80
incapacidad para determinar intervalos de tiempo.
fallos en la agudeza visual.
fallos en la discriminación de la brillantez.
Cambios funcionales cardíacos y pulmonares. Dolores de cabeza, fatiga, somnolencia, coma, fallo respiratorio y muerte.
TABLA Nº 6- Efectos tóxicos de la carboxihemoglobina para el hombre. Fuente: OMS. 6.2.1.2.
Dióxido de carbono El dióxido de carbono es esencial para la respiración interna en el cuerpo humano. La respiración interna es un proceso por el cual el oxígeno es transportado a los tejidos corporales y el dióxido de carbono es tomado de ellos y transportado al exterior. El dióxido de carbono es un guardián del pH de la sangre, lo cual es esencial para sobrevivir. El sistema regulador en el cual el dióxido de carbono juega un papel importante es el llamado tampón carbonato. Consiste en iones bicarbonato y dióxido de carbono disuelto, con ácido carbónico. El ácido carbónico neutraliza los iones hidroxilo, lo 46
que hará aumentar el pH de la sangre cuando sea añadido. El ión bicarbonato neutraliza los protones, lo que provocará una disminución del pH de la sangre cuando sea añadido. Tanto el incremento como la disminución del pH son una amenaza para la vida.
Asfixia.
Causada por la liberación de dióxido de carbono en un área cerrada o sin ventilación. Esto puede disminuir la concentración de oxígeno hasta un nivel que es inmediatamente peligroso para la salud humana.
Congelación.
El dióxido de carbono siempre se encuentra en estado sólido por debajo de los 78ºC en condiciones normales de presión, independientemente de la temperatura del aire. El manejo de este material durante más de un segundo o dos sin la protección adecuada puede provocar graves ampollas, y otros efectos indeseados. El dióxido de carbono gaseoso liberado por un cilindro de acero, tal como un extintor de incendios, provoca similares efectos.
Dañosrenales o coma.
Esto es causado por una alteración en el equilibrio químico del tampón carbonato. Cuando la concentración de dióxido de carbono aumenta o disminuye, provocando alteración del equilibrio, puede tener lugar una situación amenazante para la salud.
6.2.2. Efectos del Oxígeno sobre la salud Todo ser humano necesita oxígeno para respirar, pero como ocurre con muchas sustancias un exceso de oxígeno no es bueno. Si uno se expone a grandes cantidades de oxígeno durante mucho tiempo, se pueden producir daños en los pulmones. Respirar un 50-100% de oxígeno a presión normal durante un periodo prolongado provoca daños en los pulmones. Las personas que en su trabajo sufren exposiciones frecuentes o potencialmente elevadas a 47
oxígeno puro, deben hacerse un chequeo de funcionamiento pulmonar antes y después de desempeñar ese trabajo. El oxígeno es normalmente almacenado a temperaturas muy bajas y por lo tanto se deben usar ropas especiales para prevenir la congelación de los tejidos corporales.
6.3. IMPACTOS OCUPACIONALES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN Teniendo en cuenta las afecciones que pueden llegar a causar el proceso de combustión sobre la salud de lostrabajadores y los habitantes del área vecina en que se desarrolla el proceso, se presentan a continuación los principales impactos de tipo ocupacional ocasionados:
Los óxidos de azufre, generados en los procesos de combustión, se disuelven en las mucosas del tracto superior respiratorio, cuya función es proteger e impedir el avance de sustancias hacia regiones más delicadas, de esta forma puede penetrar hasta las zonas más vulnerables de los pulmones causando graves daños.
La ocurrencia de un proceso de combustión incompleta puede conllevar a la formación de compuestos carcinógenos.
El monóxido de carbono, emitido por la ocurrencia de combustiones incompletas actúa sobre la hemoglobina de la sangre impidiendo el transporte de oxígeno al organismo. En altas concentraciones, puede causar la muerte en seres humanos
La exposición a material particulado puede producir conjuntivitis, quemaduras cornéales, gastritis crónica, perforación del tabique nasal, dermatitis vesicular, bronquitis y enfisemas, además de causar una severa irritación en la piel.
La exposición continúa a vibraciones y ruidos, producidos principalmente por el sistema de alimentación de aire al proceso de combustión pueden ser causantes de reducción de la capacidad auditiva temporal o permanente y estrés. Las vibraciones lesionan los músculos y los nervios, ocasionando neuralgias y calambres.
En las áreas cercanas al área en que se desarrolla el proceso de combustión se manejan altos niveles de humedad y calor, generando ambientes inconfortables 48
de trabajo. La exposición prolongada a estos factores puede provocar salpullidos, calambres y agotamiento.
6.4. BUENAS PRÁCTICAS OPERATIVAS En este ítem se agrupan todas aquellas actividades encaminadas a la modificación y al rediseño de las actividades asociadas al proceso de combustión y de los sistemas utilizados para tal fin. Entre las principales actividades catalogadas como buenas prácticas se tiene el control del proceso de combustión y su monitoreo, actividad que se constituye en una de las etapas fundamentales para la búsqueda de ahorros y eficiencias en la utilización de combustibles. Se debe tener en cuenta la proporción correcta proporción de aire-combustible, con lo cual se evita "arrojar" energía por la chimenea o enfriar el hogar de la caldera con exceso de aire.
6.4.1. Control del caudal de aire El control del aire aportado para combustión tiene gran importancia. Generalmente siempre es necesario un exceso de aire para que la combustión sea completa y no se produzcan inquemados. Este exceso puede estar entre el 10% y el 50%, dependiendo de la sofisticación del sistema de control de combustión, el objetivo del proceso y el tipo de combustible utilizado. Algunos excesos de aire típicos se presentan en la tabla N° 8. El control del caudal de aire, aparte de garantizar la proporción de la mezcla combustible deseada, determina de alguna manera, la temperatura de los gases de combustión y la cantidad de energía que se puede aprovechar de los mismos, acercando con esto al proceso de combustión completa. Algunos aspectos importantes para tener en cuenta en la regulación del caudal de aire en el proceso de combustión son los siguientes:
Al aumentar el exceso de aire, se disminuye la eficiencia de combustión, aumentando así el consumo de combustible.
Al aumentar el exceso de aire y manejar dentro del proceso temperaturas excesivamente altas, se reduce la eficiencia térmica del sistema.
En los sistemas de combustión, no deben permitirse diferencias de 49
temperaturas entre la salida de chimenea y el proceso en sí, superiores a los 150° C.
COMBUSTIBLE % EXCESO DE AIRE 10 Gas natural 15 Gas licuado de petróleo 20-25 Fuel oil 20-50 Crudo 25-30 Carbón mineral TABLA Nº 8- excesos de aire recomendados Fuente: (MINEM) 6.4.2. Control de mezcla en el quemador El ajuste de los requerimientos de aire en un proceso de combustión implica el desarrollo de ajustes directamente sobre los elementos que actúan en dicho proceso; uno de éstos es el quemador. En procesos de combustión complejos, como pueden ser los sucedidos en calderas pirotubulares, el quemador debe poseer un margen de operación para distintos niveles de requerimientos de energía, además de responder a ciclos de control automático de encendido y seguridad. El quemador debe poseer un soplador de aire y válvula reguladora de gas, integradas en un solo cuerpo. La válvula reguladora de gas actúa de acuerdo con un programa preestablecido de encendido y responde a los distintos escenarios de carga. Igualmente, la cantidad de aire es ajustada automáticamente de acuerdo con los requerimientos puntuales del proceso. Cada quemador debe poseer facilidades para el ajuste de la mezcla. Cada industria deberá elegir el tipo de quemador indicado acorde con las exigencias de sus procesos, ya que en el mercado existe gran variedad de quemadores y sistemas de control de la relación aire-combustible asociado a cada uno. Entre los parámetros que deben tenerse en cuenta para la selección de un quemador, se incluyen la tecnificación del proceso, el costo de la energía (combustible) y las condiciones disponibles de presión. Otros aspectos que deben tenerse en cuenta en la operación de un quemador son los siguientes: 50
Revisar y limpiar periódicamente boquillas de quemadores y/o parrillas.
Utilizar la temperatura y presión de atomización (datos suministrados por elfabricante) acorde con la viscosidad del líquido en caso de trabajar con uncombustible en este estado.
No sobrepasar la temperatura de atomización, ya que esto ocasiona un mayor consumo energético y en consecuencia mayores costos en el consumo de combustible.
Evaluar que la relación aire-combustible se pueda controlar consistentemente.
Utilizar el fluido de atomización adecuado para aquellos quemadores que así lo requieren.
Mantener el rango de presión del combustible en los valores recomendados por el fabricante en el caso de combustibles gaseosos.
Precalentar el aire de combustión con el calor residual de los humos.
6.4.3. Recirculación de los gases de escape Mediante la recirculación de los gases de escape se consigue recuperar parte de los hidrocarburos no quemados en el anterior ciclo de combustión, reduciendo así el costo de combustible y optimizando la eficiencia energética del sistema de combustión. La recirculación de los gases de escape dependerá de la eficiencia del sistema de combustión que se tenga, de la disponibilidad de espacio y del sistema de combustión como tal. Otro sistema de recirculación de gases que puede implementarse en las unidades empresariales es utilizar dichos gases de escape como elementos de precalentamiento del combustible alimentado y/o el aire necesario para el proceso de combustión.
6.4.4. Control de combustible Teniendo en cuenta que gran parte de las emisiones generadas al ambiente por los procesos de combustión se refieren al tipo de combustible utilizado, las unidades empresariales deben garantizar un combustible de 51
características apropiadas (contenido de azufre y nitrógeno). De forma similar, debido a que el proceso de combustión se constituye en una reacción química que ocurre en fase gaseosa, el sistema empleado para el desarrollo de procesos debe garantizar una adecuada atomización del combustible, en el caso de que este sea líquido, y un adecuado tamaño de partícula, si se trabaja con un combustible sólido (carbón). Es recomendable en este punto que el empresario solicite a su proveedor ficha técnica y análisis fisicoquímico del combustible suministrado.
6.4.5. Otras buenas prácticas operativas Dentro de otras prácticas operativas que hacen de la combustión un proceso más eficiente se tienen las siguientes:
Limpiar las superficies de intercambio de calor periódicamente.
Controlar los aumentos progresivos en la temperatura de humos y gases de escape.
Realizar deshollinamiento periódico a los sistemas de combustión.
Revisar los sistemas de control tales como termómetros y manómetros, ya que su descalibración puede llegar a afectar ostensiblemente el desarrollo del proceso.
No permitir concentraciones de monóxido de carbono superiores a 400 mg/L en los gases de escape.
Atomizar los líquidos a la presión recomendada y/o mediante la utilización de fluidos, con el fin de acercar el proceso a la combustión completa.
Vigilar y evaluar periódicamente la coloración de la llama.
Regular el tiro de la chimenea, mediante la utilización de un dámper. Es importante anotar que excesos de aire en la chimenea pueden causar el arrastre de material particulado y su posterior emisión a la atmósfera.
Drenar periódicamente el agua que pueda almacenarse en los tanques de almacenamiento de combustible.
52
Manejar registros generales del proceso de combustión, en los que se incluyan, entre otros parámetros, presión, temperatura de aire y combustible.
Si el sistema de combustión lo permite, realizar el calentamiento y alimentación en contracorriente.
7. REFERENCIAS
1. 350.300, NTP. 2002. NORMAS TECNICAS PERUANAS. LIMA : s.n., 2002. 2. AENOR, "Caracterización de combustibles gaseosos necesarios para los 53
proyectos de calderas", Norma UNE 9-009-85, Madrid 1985. "Caracterización de combustibles líquidos necesarios para los 3. AENOR, "Caracterización proyectos de calderas", Norma UNE 9-008-85, Madrid 1985. 4. AENOR, "Caracterización de combustibles sólidos de origen no fósil necesarios para los proyectos de calderas", Norma UNE 9-017-85, Madrid 1985. "Manual de calderas, principios principios operativos de 5. ANTHONY L. KOHAN, "Manual mantenimiento, construcción, reparación, seguridad, requerimientos y normativas" Mc Graw Hill, Madrid 2000. 6. ASTIAGARRAGA URQUIZA J. y JOSÉ LUIS AGUIRRE ORMAZA, "Hornos Industriales de Inducción", Mc Graw Hill, Madrid 1994. 7. BARRETO. [Online] [Cited: 05 03, 2011.] www.uruman.org/4to_congreso_docs/trabajos .../Barreto. 8. CARL D. SHIELD, "Calderas tipos, características y sus funciones", Compañía Editorial continental, S.A., México 1980. 9. CENTRO DE ESTUDIOS DE LA ENERGÍA, "Manual Técnico y de Instrumentación para Conservación de Energía and Redes de distribución de fluidos térmicos", Ministerio de Industria y Energía, Secretaría General de la Energía y Recursos Minerales, Madrid1983. 10. CENTRO DE ESTUDIOS DE LA ENERGÍA." Redes de distribución de fluidos térmicos" MIER, Madrid 1983. 11. IDEA, "Uso eficiente de energía en calderas y redes de fluidos" IDEA, Madrid 1987. 12. IDEA, "Uso eficiente de energía en calderas y redes de fluidos", IDEA, Madrid 1996. 13. MINISTERIO DE INDUSTRIA Y ENERGÍA, "Técnicas de conservación Energética en la industria, 1. Fundamentos y ahorro en operaciones", Comisaria de la energía y recursos minerales Centro de Estudios de la Energía, Madrid 1982. 14. MINISTERIO DE INDUSTRIA Y ENERGÍA, "Técnicas de conservación Energética Energética en laindustria, laindustria, 1. Fundamentos Fundamentos y ahorro en operaciones", operaciones", Comisaria de la energía y recursos minerales Centro de Estudios de la Energía, Madrid 1982. 15. MOLINA IGARTUA, L.A. y G. MOLINA IGARTUA, "Manual de Eficiencia Energética térmica en la industria", CADEM, Bilbao 1993. 16. MOLINA IGARTUA, L.A. y G. MOLINA IGARTUA. "Manual de eficiencia energética térmica en la industria", Edita Ente Vasco de la Energía, Bilbao 1993. 17. PERUANAS, NORMAS TECNICAS. 2006. NTP LIMA : s.n., s.n., 2006. 2006. NTP 111.019. LIMA 18. SEDIGAS, "Manual del gas y sus aplicaciones, sector primario e industrial", Sedigas, Barcelona 1990. 19. SHIELDS, C.D."Calderas Tipos, Características y sus Funciones", CECSA, México 1980. 20. UTU. [Online] [Cited: 07 25, 2011.] industriales.utu.edu.uy/.../.... 21. VERGARA MORO, V. y J.M. ALONSO GIRÓN, "Manual de operadores industriales de calderas", CADEM, Bilbao 1999. 22. WEB. [Online] [Cited: 06 03, 2011.] 54
www.sistemascalefaccion.com/calderas/industriale s.html. 23. wikipedia. [Online] [Cited: 06 15, 2011.] es.wikipedia.org/wiki/Combustión. es.wikip edia.org/wiki/Combustión. 24. — . [Online] [Cited: 07 13, 2011.] es.wikipedia.org /wiki/Poder es.wikipedia.org /wiki/Poder_calorífic _calorífico. o. ar.answers.yahoo.com › ... › Ciencia y 25. yahoo. [Online] [Cited: 06 10, 2011.] ar.answers.yahoo.com Matemáticas › Química.
.
8. APENDICE 8.1. COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE DIESEL Nº2 DETE DETERMI RMINA NACI CI N DE LA EFIC EFICIIENCIA TÉRMICA D E C A L D E R A S I N D U S T R I A L E S – NTP 350.300:2002 HOJA DE DATOS DATOS Fecha: 26 – 04 - 2012 55
Hora de inicio: 13 : 00 DATOS DEL PROPIETARIO DATOS DEL CONSULTOR Nombre : UNAC Responsable : JAIME FLORES SANCHEZ Dirección : AV. JUAN PABLO S/N Asistente : JOSE LOO Localidad : BELLAVISTA - CALLAO Entidad : UNAC - FIME DATOS GENERALES Calder dera No.M o.Marca : JC SERMIN MIN SA Mode odelo :D42-4 2-40-2G # Pas Pasos : [ 3 ] Tipo : [ Pirotubular ] Potencia Potencia nominal nominal : 40 [ BHP ] Presión de diseño : 250 [ psig ] Quem Quemad ador or Marc Marcaa : POWE POWER R FLAM FLAME E INCOR NCORPO PORA RATE TED D Model odeloo : C2C2-0000-20B 20B Tip Tipo de de atomi tomiza zaci ción ón Combustible : [ DIESEL Nº 2 ] Aire Vapor Bomba Consumo : 12 gal/h COND CONDICI ICION ONES ES DE OPE OPERAC RACII N AGUA-VAPORCOMBUSTIBLE COMBUSTIBLE AIRE DE COMBUSTI N Presión de vapor : 80 psig Temperatura : 23°C Temperatura : 35 °C Temperaturaingreso : 20 °C
Presión de atomización: __ psig
Flujoingreso :110 gal/h
Presiónbarométrica : 1013.3 mbar HumedadRelativa : 78.8 %
MEDICI MEDICI N DEL ÁREA ÁREA DE LA SUPER SUPERFICI FICIE E EXTERIO EXTERIOR R Pirotubular Diámetro : m Largo : m Acuotubular
rea de la superficie sobre los gases : 12.5 m Ag
Ancho : _______ m A Alto : _______ m H
Área de la superficie sobre el fluido de trabajo : 53.5 m Af rea total de la superficie exterior : 18.58 m
MEDICI MEDICI N DE LA TEMPERAT TEMPERATURA URA DE SUPERF SUPERFICI ICIE E EXTERIOR EXTERIOR SUPERFICIE SOBRE EL FLUIDO (Af) SUPERFICIE SOBRE LOS GASES (Ag) 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 53.3 m 12.5 m MEDI MEDICI CI N DE DE LOS LOS GAS GASES ES DE COMB COMBUS USTI TI N PARÁMETRO 1 2 TemperaturagasesºC 169 17 8 O2 % 6 .6 7 CO ppm 27 35 CO2 % 10.7 9.10 Hora 13:10 13:20
3 225 10.6 16 7.7 13:30
4 220 9.8 16.4 7.2 13:40
5 21 8 9.4 15.8 7.0 13:50
PROM 202 8.68 2 2 .0 4 8.34 __:__
HOJA DE DATOS Nº 1 FUEN FUENTE TE - NTP NTP 350. 350.30 3000 - 2002 2002 8.2. 8.2. COMBUS COMBUSTIBL TIBLE E GLP DETERMIN DETERMINACI ACI N DE LA LA EFICIE EFICIENCI NCIA A TÉRMICA TÉRMICA D E C A L D E R A S I N D U S T R I A L E S – NTP 350.300:2002 HOJA DE DATOS Fecha: 26 – 04 - 2012 Hora de inicio: 13 : 00 56
DATOS DEL PROPIETARIO DATOS DEL CONSULTOR Nombre : UNAC Responsable : JAIME FLORES SANCHEZ Dirección : AV. JUAN PABLO S/N Asistente : JOSE LOO Localidad : BELLAVISTA - CALLAO Entidad : UNAC- FIME DATOS GENERALES Caldera No.Marca : JC SERMIN SA Modelo : # Pasos : [ 3 ] Tipo : [ Pirotubular ] Potencia nominal : 40 [ BHP ] Presión de diseño : 250 [ psig ] Quemador Marca : POWER FLAME INCORPORATED Modelo : C2-00-20B Tipo de atomización Combustible : [ GLP ] Aire Vapor Bomba Consumo : CONDICIONES DE OPERACI N AGUA-VAPORCOMBUSTIBLE COMBUSTIBLE AIRE DE COMBUSTI N Presión de vapor : 100 psig Temperatura : --- °C Temperatura : °C Temperaturaingreso : 20°C
Presión de atomización : __ psig
Flujoingreso :132.086 gal/h
Presiónbarométrica : 1013.3 mbar Humedad Relativa : 71.5 %
MEDICI N DEL ÁREA DE LA SUPERFICIE EXTERIOR Pirotubular Diámetro : m Largo : m Acuotubular
Área de la superficie sobre los gases : 12.5 m Ag
Ancho : _______ m A Alto : _______ m H
rea de la superficie sobre el fluido de trabajo : 53.5 m Af Área total de la superficie exterior : 18.58 m
MEDICI N DE LA TEMPERATURA DE SUPERFICIE EXTERIOR SUPERFICIE SOBRE EL FLUIDO (Af) SUPERFICIE SOBRE LOS GASES (Ag) 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 53.5 m 12.5 m MEDICI N DE LOS GASES DE COMBUSTI N PAR METRO 1 2 Temperatura ºC 150 152 O2 % 7 6.8 CO ppm 0.02 0.03 CO2 % 11 10.8 Hora 14:00 14:10
3 148 7.2 0.024 11.2 14:20
4 155 7.0 0.022 11.4 14:30
5 158 6.6 0.032 10.8 14:50
PROM 152.6 6.92 0.0256 11.04 __:__
HOJA DE DATOS Nº 2 FUENTE- NTP 350.300 - 2002 9. ANEXOS 9.1 COMBUSTIBLES 9.1.1 Diesel
El gasóleo, también denominado gasoil o diésel, es un líquido de color 57
blancuzco o verdoso y de densidad sobre 850 kg/m3 (0,850 g/cm3), compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en motores diésel y en calderas.
Cuando es obtenido de la destilación del petróleo se denomina diesel y cuandoes obtenido a partir de aceites vegetales se denomina biodiésel.
Petro-diésel es una mezcla de hidrocarburos que se obtiene por destilación fraccionada del petróleo entre 250 °C y 350 °C a presión atmosférica. El gasóleo es más sencillo de refinar que la gasolina y suele costar menos. Por el contrario, tiene mayores cantidades de compuestos minerales y de azufre.
El gasóleo tiene aproximadamente un 18 por ciento más energía por unidad de volumen que la gasolina, lo que, sumado a la mayor eficiencia de los motores diesel, contribuye a que su rendimiento sea mayor.
En el uso marítimo se utilizan varios grados de petrodiésel, que van desde el gasóleo corriente hasta el fuelóleo pesado.
9.1.2 Gas Licuado de Petróleo: Glp
El GLP es un combustible limpio.
No es tóxico, pero puede provocar asfixia.
Puede ocasionar irritaciones en contacto con la piel y con los ojos.
Es altamente inflamable, su combustión es muy rápida generando altas temperaturas.
El GLP está compuesto, mayoritariamente, por propano y butano.
El GLP se licua a bajas presiones entre 60 y 120 psi aproximadamente, dependiendo de la mezcla propano - butano.
Posee una gran capacidad de expansión, de estado líquido a gaseoso aumenta su volumen 270 veces aproximadamente.
El GLP en fase gaseosa, es más pesado que el aire, por ello, en caso de fugas tiende a ubicarse o depositarse en lugares bajos. En estado líquido el GLP es más liviano que el agua.
El GLP es un combustible que en determinados porcentajes con el aire forma una mezcla explosiva, presentando un Límite de Inflamabilidad 58
para el propano entre 2.15 y 9.60% de gas en aire, y para el butano, entre 1.55 y 8.60% de gas en aire.
El GLP producido de los líquidos de gas natural o de gases de refinería es incoloro e inodoro, por lo que para percibir su presencia en el ambiente se le añade un químico especial "agente odorante" denominado mercaptano.
Gas Licuado de Petróleo, es una mezcla de gases (propano y butano) obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo crudo, que a temperatura normal y a presión atmosférica permanecen en estado gaseoso, pero que tienen la propiedad de pasar al estado líquido sometidos a presión.
Esta propiedad permite almacenarlo en depósitos pequeños a un costo razonable.
A continuación se presentan las propiedades aproximadas del GLP:
Presión de vapor en Kpa (presión absoluta) a: 20 ºC
Propano Comercial
Butano Comercial
1.000
220 59
40 ºC 45 ºC 55 ºC Peso especifico Punto de ebullición inicial a 1.000 atm de presión, ºC Peso por metro cubico de liquido a 15.56 ºC , Kg Calor especifico del liquido, kilojoules por kilogramo, a 15.56 ºC Metros cúbicos de vapor por litro de liquido a 15.56 ºC Metros cúbicos de vapor por kilogramo de liquido a 15.56 ºC Peso especifico del vapor (aire = 1) a 15.56 ºC Temperatura de ignición en aire, ºC Temperatura máxima de llama en aire, ºC Limites de inflamabibilidad en aire, % de vapor en la mezcla aire – gas: Inferior Superior Calor latente de vaporización en el punto de ebullición: Kilojoules por kilogramo Kilojoules por litro Cantidad de calor total luego de la vaporización: Kilojoules por metro cubico Kilojoules por kilogramo Kilojoules por litro
1.570 1.760 2.170 0.504 -42 504
360 385 580 0.582 -9 582
1.464
1.276
0.271
0.235
0.539
0.410
1.50 493 – 549 1.980
2.01 482 – 538 2.008
2.15 9.60
1.55 8.60
428 216
388 226
92.430 49.920 25.140
121.280 49.140 28.100
TABLA Nº 9 - PROPIEDADES APROXIMADAS DEL GLP Fuente: Código del Gas Licuado de Petróleo. NFPA 58 – Edición 2004.
60
9.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL DIESEL Y EL GLP DIESEL
GLP
VENTAJAS
Mayor rendimiento térmico con mayor potencia útil. No requiere revisiones frecuentes. Consumen menos combustible y su potencia es mayor. No requieren trabajar a altas revoluciones para producir su máxima potencia.
DESVENTAJAS
Mayor peso, más ruidoso y costo elevado. Arranque más difícil y menor régimen de revoluciones. Reparaciones costosas. Demoran en arrancar a bajas temperaturas. Su mantenimiento a corto plazo es más caro, pues debido al tamaño de sus piezas se requiere más aceite.
No contiene plomo ni azufre. Por su condición de gas, facilita una combustión más completa y limpia, que se refleja en la reducción del 90% de emisión de partículas. Tiene mayor resistencia al autoencendido que otros, por tener 103 octanos. Resulta económico por su alto rendimiento térmico y requieren instalaciones sencillas, de bajo costo de inversión y mantenimiento. Proporcionan un calentamiento preciso y homogéneo, debido a la constancia de su poder calorífico. Es fácil alcanzar mezclas homogéneas de aire combustible, lo que permite mejorar sustancialmente la eficiencia en la utilización del producto. Su rango de eficiencia térmica puede alcanzar el 90%. La adaptación de los equipos para utilizar GLP es sencilla, económica y de montaje rápido. Arrancan a cualquier temperatura.
Consumen mayor combustible y ofrecen menos potencia. Tiene menor durabilidad.
TABLA Nº 10 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE DIESEL Y GLP – FUENTE – EL AUTOR
61
9.3 PROPIEDADES PROPIEDADES
L E S E I D
NUMERO DE CETANO.
VOLATILIDAD
AZUFRE
Corresponde a la cantidad presente (porcentaje en volumen) de cetano (hexadecano) en una mezcla de referencia con igual punto de inflamación que el carburante (hidrocarburo) sometido a prueba. El número o índice de cetano guarda relación con el tiempo que transcurre entre la inyección del carburante y el comienzo de su combustión. Una combustión de calidad ocurre cuando se produce una ignición rápida seguida de un quemado total y uniforme del carburante. Cuanto más elevado es el número de cetano, menor es el retraso de la ignición y mejor es la calidad de combustión. Por el contrario, aquellos carburantes con un bajo número de cetano requieren mayor tiempo para que ocurra la ignición y después queman muy rápidamente, produciendo altos índices de elevación de presión. Si el número de cetano es demasiado bajo, la combustión es inadecuada y da lugar a ruido excesivo, aumento de las emisiones, reducción en el rendimiento del equipo. Un humo negro y ruido excesivos son problemas comunes. En definitiva es un indicativo de la eficiencia de la reacción que se lleva a cabo en las calderas. Para aumentar el número de cetano (NC) usamos los denominado mejoradores de la ignición, que son componentes adicionados en pequeñísimas cantidades. Mejoran el NC en la fracción gasóleo, reducen el tiempo de retardo entre la inyección y la ignición del combustible. Los más comunes son los nitratos orgánicos, los peróxidos, los polisulfuros, los aldehídos, cetonas y los éteres muy volátiles. Los nitratos presentan el problema de que son muy contaminantes. Los peróxidos son explosivos y además caros.
El punto inicial de destilación de la fracción gasóleo está entre 160/190°C, mientras que el punto final máximo es de 370°C. El residuo de la destilación va ligado a las colas de destilación, que están formadas por los componentes de la fracción con más átomos de C, los más pesados, lineales son los que tienen mayor punto de ebullición y de mayor masa molecular.
El azufre se encuentra naturalmente en el petróleo. Si éste no es eliminado durante los procesos de refinación, contaminará al combustible. La reducción del límite de azufre en el diesel a 0.05 por ciento es una tendencia mundial. La correlación del contenido de azufre en el diesel con las emisiones de partículas y el S02 está claramente establecida. Para poder cumplir con los requerimientos de niveles bajos de azufre, es necesario construir capacidades adicionales de desulfuración. Así como las unidades de desintegración catalítica (FCC), son primordiales para la producción de gasolina, la hidrodesintegración es fundamental para la producción de diesel. En ambos procesos la cuestión se enfoca en la selección de la materia prima alimentada.
62
L E S E I D
DENSIDAD Y VISCOSIDAD
AROMÁTICOS
LUBRICIDAD
La inyección de diesel en la caldera está controlada por volumen o por tiempo de la válvula de solenoide. Las variaciones en la densidad y viscosidad del combustible resultan en variaciones en la capacidad de generación de vapor del equipo, en las emisiones y el consumo. Además la densidad influye en el tiempo de inyección de los equipos de inyección controlados mecánicamente.
Los aromáticos son moléculas del combustible que contienen al menos un anillo de benceno. El contenido de aromáticos afecta la combustión y la formación de PMOs y de las emisiones de hidrocarburos poliaromáticos. El contenido de aromáticos influye en la temperatura de la flama y, por lo tanto, en las emisiones de NOx durante la combustión.
Las bombas de diesel, a falta de un sistema de lubricación externa, dependen de las propiedades lubricantes del diesel para asegurar una operación apropiada. Sepiensa que los componentes lubricantes del diesel son los hidrocarburos más pesados y las substancias polares. Los procesos de refinación para remover el azufre del diesel tienden a reducir los componentes del combustible que proveen de lubricidad natural. A medida que sereducen los niveles de azufre, el riesgo de una lubricidad inadecuada aumenta. Las normativas sobre emisiones en la Unión Europea han obligado a las refinerías a reducir drásticamente los niveles de esas impurezas, dando como resultado un combustible más limpio. Las regulaciones de Estados Unidos al respecto son menos exigentes, al igual que en nuestro país. La reducción de los niveles de azufre hace que sean menos contaminantes de por sí, y permiten el uso de catalizadores más sofisticados para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno. Sin embargo, esto también reduce las propiedades lubricantes del gasóleo, por lo que se tiene que añadir aditivos que mejoren su lubricidad.
63
ES INCOLORO
ES INODORO
Tanto en su estado líquido como en su estado gaseoso. Sólo se hace visible cuando el gas líquido es liberado en forma muy rápida al medio ambiente, porque en ese momento se produce una transformación o cambio de estado, de líquido a gas o vapor. Se puede decir que es gas invisible mientras no esté saturado de humedad y vapor cuando es saturado de humedad y visible por las gotas de agua en suspensión.
Por lo que para su comercialización se exige que sea mezclado con una sustancia odorizante. Los más usados son algunos sulfuros y /o mercaptanos que por su costo e intensidad del olor debe ser dosificado en aproximadamente 1 Kg. por cada 80,000 litros de gas licuado de petróleo, esta sustancia permite que en caso de fuga de gas LP esta pueda ser fácilmente detectada.
P L G
PODER DISOLVENTE
M S PESADO QUE EL AIRE
MÁS LIVIANO QUE EL AGUA En su fase líquida es más liviano que el agua, en aproximadamente la mitad de su peso, cuando existe derrame de gas liquido y este inunda bajo nivel de superficie y/o redes de conductos que contienen agua u otro fluido, el gas LP en estado liquido permanecerá por encima del nivel superior, moviéndose conjuntamente con el flujo de agua y al mismo tiempo también estará vaporizándose, de tal forma que existe alta probabilidad de que las condiciones se den para que halla deflagración, en el mismo lugar del derrame o en un sitio cercano o alejado de donde se derramo el gas LP.
NO ES TÓXICO
Los gases licuados de petróleo no son tóxicos, la En su fase vapor es mas acción fisiológica sobre el pesado que el aire en organismo, producida por Los gases LP en estado líquido son aproximadamente dos una posible inhalación, se disolventes del caucho natural, veces, por tal razón cuando traduce en una ligera acción grasas, aceites, pinturas, etc. En existe una fuga o es anestésica; pero sí puede estado gaseoso disuelve parcialmente liberado por cualquier producir asfixia cuando la estas sustancias. El caucho sintético circunstancia al medio persona se encuentra resiste perfectamente su acción, por ambiente, este tiende a expuesta en un lugar lo que cuando se seleccionan los buscar las partes o áreas cerrado que contenga una materiales que estarán en contacto cercanas más bajas, donde atmósfera bien concentrada directo con el gas tendrá que tenerse si no existe movimiento de de gas LP, en la cual bien presente esta propiedad (para aire, permanecerá inmóvil, prácticamente no exista empaquetaduras, selladores, etc...). con una gran probabilidad oxígeno. En cualquiera de de ser el causante de una los casos el paciente tiene deflagración. que ser alejado para brindarle el auxilio adecuado.
TABLA Nº 11 PROPIEDADES DEL DIESEL Y GLP – FUENTE – EL AUTOR
64
9.4 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA Por tratarse del Método Indirecto, o de pérdidas, la eficiencia se determinará mediante la siguiente expresión, según las Normas Técnicas Peruanas η = 100 − (P + P + P + P + P + P )…………………. Ec. 9.1
9.4.1 Pérdida por la entalpía de los gases de escape secos, P1 La pérdida porcentual de calor debida a la entalpía en los gases de escape, en base seca, se calcula mediante: P =k [
]
………………….
Ec. 9.2
Algunos valores típicos de “k” se muestran en la Tabla 12.
Combustible Residuales Destilados GLP Gas Natural
K 0,53 0,48 0,40 0,35 TABLA Nº 12
FUENTE - NTP 350.300 – 2002 – Pg. 14 de 28 La relación entre los contenidos de dióxido de carbono y oxigeno es: [CO ] = 1 −
[
]
. [CO ]
…………………. Ec. 9.3
Los valores típicos de CO 2max se muestran en la Tabla 13.
65
Combustible
CO2 max 15,8 15,5 13,8 11,9
Residuales Destilados GLP Gas Natural
TABLA Nº 13 FUENTE - NTP 350.300 – 2002 – Pg. 15 de 28 9.4.2 Perdida por la entalpia del vapor de agua en los gases, P2 La pérdida porcentual de calor debida a la entalpía del vapor de agua en los gases de escape, se calcula mediante:
P =
([
]
.[ ]).
.
.
………………….
Ec. 9.4
9.4.3 Perdida por inquemados gaseosos, P3. La pérdida porcentual de calor debida a los inquemados gaseosos, se calcula mediante: P =k
[ [
] ] [
]
………………….
Ec. 9.5
Los valores de la constante “k1”, se muestran en la Tabla 14.
Combustible
K1 54 53 48 40
esiduales estilados GLP Gas Natural
TABLA Nº 14 FUENTE - NTP 350.300 – 2002 – Pg. 16 de 28
66
9.4.4 Pérdida por inquemados sólidos, P4 La pérdida porcentual de calor debida a los inquemados sólidos, se calcula mediante: P = 0.14.B + 0.008.B + 0.07…………………. Ec. 9.6
9.4.5 Pérdida por convección, P5 La pérdida porcentual de calor debida a la convección, se obtiene sumando las pérdidas porcentuales por convección para cada tipo de superficie exterior, mediante:
P = 80.
̇
…………………. Ec. 9.7
̇
Donde: Q̇ = h . A . ( T − T ) + h .A . T − T ……………Ec. 9.7.1 h = 1.973x10 .( T − T ) h
.
+ (2.857.ν + 1) .
= 1.973x10 . T −T
+ (2.857.ν + 1)
…… Ec. 9.7.2
. .
……Ec. 9.7.3
9.4.6 Pérdida por radiación, P6 La pérdida porcentual de calor debida a la radiación, se obtiene sumando las pérdidas porcentuales por radiación para cada tipo de superficie exterior, mediante: P = 80.
̇ ̇
……………Ec. 9.8
Donde: Q̇ = (q .A ) + q .A ……………Ec. 9.8.1 q = 5.763x10
.ε.[( T + 273) − ( T + 273) ]………Ec. 9.8.2
q
.ε. T +273
= 5.763x10
− ( T + 273) …… Ec. 9.8.3
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