UNIVERSIDAD CATÓLICA “SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO”
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA EN LA CALDERA
NÚMERO 6 DE LA AGROENDUSTRIA AZUCARERA TUMÁN PARA GENERACIÓ N DE ENERGIA”
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
USAT
UNIVERSIDAD CATÓLICA “SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO”
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA “ANÁLISIS DE
LA EFICIENCIA EN LA CALDERA NÚMERO 6 DE LA AGROENDUSTRIA AZUCARERA TUMÁN PARA GENERACIÓN DE ENERGIA ” INTEGRANTES: Bruno Manuel González Martínez Nardin Celada Bustamante Carlos Javier Zeña Cajo Edson Arnold Cordova Saavedra
CICLO 2014 - I
TERMODINAMICA II
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INTRODUCCION: En la actualidad la necesidad de energía va en aumento en un futuro su consumo se incrementara. Los ingenieros con el fin de suplementar el consumo de combustibles fósiles y además de ampliar la visión de combustibles, se sumerge en la búsqueda de combustibles bioenergéticas. Con fin de impulsar la implementación de estos, la “AGROINDUSTRIA AZUCARERA TUMAN S.A.” Cuenta con calderas de quema de bagazo de caña de azúcar. El bagazo como combustible en la planta “AGROINDUSTRIA AZUCARERA TUMAN S.A.” genera parte de la
energía necesaria para la producción de azúcar y de sus derivados, a través de calderas. 1. OBJETIVOS: El presente trabajo tiene como objetivos:
Objetivos generales: El cálculo de la eficiencia en las calderas de bagazo de la “AGROINDUSTRIA AZUCARERA
TUMAN S.A.”
Recolectar información acerca del combustible utilizado. Objetivos específicos: Lograr determinar los aspectos para el aumento de la eficiencia. Comprender el funcionamiento de las calderas de bagazo en la “AGROINDUSTRIA AZUCARERA TUMAN S.A.”. 2. DATOS:
Nombre de la empresa: “EMPRESA AGROINDUSTRIAL TUMAN S.A.A
Dirección: AV. AVENIDA EL TRABAJO #S/N- Tumán- Chiclayo A. Dato de Calderas en la Empresa Azucarera Agroindustria Tumán S.A.: Dentro del ingenio azucarero de la Empresa Azucarera Agroindustria Tumán S.A., cuenta con la instalación de de 5 unidades de generación, las cuales son de marca Badcokc & Wilcox(caldera Nº 1,2 y 6)y de combustión Enginnering ing (caldera Nº 5 y 4). Estas calderas, generalmente utilizan bagazo de caña como combustible; sin embargo, están provistas para utilizar como combustible complementario petróleo. A diferencia de la caldera Nº6 que está diseñada para quemar petróleo y bagazo; esta quema petróleo bajo condiciones de parada de trapiche y al no contar con Stock de bagazo. A continuación anexamos las características técnicas de la caldera a utilizar como modelo de cálculo.
La capacidad instalada de generación de vapor y sus especificaciones son: Caldero Nº 6 (ESTE SE TOMARÁ COMO MODELO PARA TODOS, ASUMIENDO MISMO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO). CICLO 2014 - I
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QUE TIENEN EL 3
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o o o o o o o o o o
Año de operación Superficie de calefacción Combustible utilizado Temperatura agua de alimentación : Condiciones del vapor - Trabajo Condiciones del vapor - diseño Capacidad de generación - trabajo : Presión de trabajo Tº vapor sobrecalentado trabajo Nº de Domos :
o
Válvulas de seguridad
o
Otras válvulas
o o o
o
o
Tº de entrada del Petróleo Sopladores de hollín Tiro Forzado Motor: ASEA 3 Potencia Tensión Intensidad Frecuencia Velocidad Tiro Inducido Turbina a vapor: Potencia RPM Tiro secundario Turbina a vapor Potencia RPM Ventilador Eficiencia
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: 1989 : 2043.89 m2 : bagazo/petróleo 98 ºC : 21 Kg./ cm2/ 310 ºC : 35 Kg./ cm2/ 370 ºC 70000 Kg / h : 450 Psi : 700 ºF 2 superior 1 inferior : 01 (en el sobrecalentado) 01 (en el domo superior) 01 (en el domo inferior) 05 (otras partes del caldero) : válvulas de salida del vapor Válvulas de purga : 120 ºC
: : : : :
200 HP 150 KW 2300 voltios 51 Amperios 60 Hz 890 RPM
: :
16 Kg / cm2 (238 a 240 Psia) 2800
: : : :
1600 HP 1760 10 RPM a encontrar
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PESADO DE CAÑA (balanza) DESCARGADO DE CAÑA (Grúa hilo)
Bagazo
Planta Eléctrica
Calderas
Ceniza Bagazo
PREPARACIÓN Y LAVADO (Aire – Agua)
Tierra / Cogollo
MOLIENDA DE CAÑA (Extracción de jugo)
Agua / Bactericida
BALANZA DE JUGO (Jugo Mezclado)
Lechada de Cal
CALENTADORES DE JUGO (Encalado – Calentado) CLARIFICADORES (Jugo Clarificado)
Filtración (Filtros Oliver)
EVAPORADORES (Jarabe)
Torta Tierra / Bagacillo
CRISTALIZACIÓN (Grano - Azúcar)
Campo
CRISTALIZADORES (Lanchas)
CENTRIFUGACIÓN (Azúcar – Miel) Stock Bagazo
ENVASADO – ALMACENAMIENTO
(Azúcar)
Melaza
Alcohol
B. Bagazo:
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El bagazo es un material fibroso, heterogéneo en cuanto a su composición granulométrica y estructural, que presenta relativamente baja densidad y un alto contenido de humedad, en las condiciones en que se obtiene del proceso de molienda de la caña.
Bagazo de caña
2.1. Datos iniciales: Todo combustible cuenta con elementos que forman su composición química que es base principal para los cálculos, en este caso para el bagazo, su composición química es la siguiente:
ELMENTOS
%
C H O N S
42.54 5.17 39.62 0.63 0.3
Tabla 1. Composición Química de Caña “Bagazo”
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Gases de Combustión Elemento % Oxígeno 3.54 Monóxido de Carbono 0.0001838 Gases triatómicos 10.54 Nitrógeno 85.91 Tabla 2. Gases de Combustión del Bagazo
W( Humedad del bagazo por unidad)
50 %
Para el cálculo de poderes caloríficos, tanto superior como inferior, es necesario aplicar las siguientes fórmulas:
Los valores obtenidos son: PODER CALORÍFICO SUPERIOR PODER CALORÍFICO INFERIOR
3986KJ/Kg 3715KJ/Kg
Tabla 3. Poder Calorífico Superior e Inferior del Bagazo 2.2 Datos de la Caldera: El ingenio azucarero de la Empresa Agroindustrial Tumán S.A, cuenta con la caldera Nº 6 para la generación de vapor, cuyas características técnicas se muestran en el cuadro. Esta caldera, generalmente utilizan bagazo de caña como combustible; sin embargo, está provista para utilizar como combustible complementario petróleo. La temperatura de los gases de combustión es de 483.15K.
FLUJO DE COMBUSTIBLE PRESION ATMOSFERICA CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES TEMPERATURA DE REFERNCIA TEMPERATURA DE LOS GASES TEMPERATURA DE AMBIENTE
BC P R T (K) Tg.(K) Tamb.(K)
103.24 m3/s. 101.325 KPa 8.314KJ/Kmol-K 273.15 1835.58 294.16
Tabla 4.Datos de Caldera
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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA 2.3 Masas Moleculares CO2 H2O O2 N2 AIRE
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44 18 32 28 28.97
2.4 Características del horno y cenizas
Fracción de cenizas en el horno Contenido de carbono en cenizas del horno Fracción de cenizas volantes Contenido de carbono en cenizas volantes Temperatura promedio de paredes Área total de paredes de caldera Temperatura de las cenizas Calor específico a P=cte. de las cenizas
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Características del horno y cenizas a_res 0.897 C_res
5.96
a_arr
0.103
C_arr
57.52
%
T_parede
317.46
K
A_parede
76.3
m2
T_ceniz
923.16
K
Cp_ceniz
2.5
J/kg.K
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%
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3.
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CALCULO: Resultados Obtenidos para Caldera de Bagazo 3.1. Cálculo de Volumen Teórico (Vo) : La obtención de volumen teórico que ocupará la caldera, será escrita por la siguiente fórmula:
Dónde:
C
•
H
•
S
•
O
•
Es el contenido de carbono en el combustible. %. Es el contenido de hidrógeno en el combustible. %. Es el contenido de azufre en el combustible. %.
Es el contenido de oxígeno en el combustible. %.
3.2. Coeficiente de exceso de aire (a):
Si consideramos un exceso de aire de 110% tenemos:
3.3. Cálculo de Volumen Real del aire (Vr):
3.4. Determinación de los Volúmenes teóricos de los productos de la combustión
H2O
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Dónde: Vg Vgs VH20
Volumen total de los productos de combustión Volumen de gases de combustión seco Volumen de vapor de agua en los gases de combustión Los resultados obtenidos son : Vgs 4.541 m3/kg VH20 1.880 m3/kg Vg= Vgs +VH2O = (4.541 + 1.88) m3/kg = 6.421 m3/kg 3.5. Volumen de los gases biatómicos
3.6. Volumen de los gases triatómicos
3.7. Volumen de oxígeno en los gases de combustión
3.8. Volumen de dióxido de carbono en los gases de combustión
3.9. Volumen de bióxido de azufre en los gases de combustión
3.10. Peso Molecular de los gases de combustión
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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA Compuesto Gases triatómicos (RO2) Vapor de agua (H20) Gases biatómicos (N2) Oxígeno en gases (O2)
Volumen calculado del Compuesto (m3/kg) 0.797 1.88 0.874 0.081
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Masa Molecular del Compuesto(kg) 44 18 28 32
Peso molecular de Gases triatómicos= CO2 El SO2 se despreciara por su poco volumen y por ende poca masa. Mg= 14.9466kg 3.11. Calculo de las fracciones: Compuesto CO2 HO2 N2 O2
Fracción 0.1241 0.2927 0.1361 0.0126
3.12. Calculo de los Gases de combustión
Donde: ρ_g=Densidad de los gases de combustión
P_atm=Presión atmosférica M=Peso molecular del combustible kg/kmol R_u=Constante universal de los gases 8314 J/ (kmol-k) T_g= Temperatura de los gases de combustion (483.15K)
3.13. Calor Específico de los gases de Combustión.
El calor específico de los gases de combustión se halla de acurdo con la siguiente ecuación algebraica:
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INTERVALO
ERROR
ERROR
CP
KELVIN
MAX
PROM
kJoule/(kg Kº)
COMPUESTO
A
B x10^-2
C x10^-5
D x10^-9
Dióxido de carbono
22.26
5.981
-3.501
7.469
273-1800
0.67
0.22
43.838
Vapor de agua
32.24
0.1923
1.055
-3.595
273-1800
0.53
0.24
33.174
Nitrógeno
28.9
-0,1571
0.8081
-2.873
273-1800
0.59
0.34
28.145
Oxígeno
25.48
1.520
-0,7155
1.312
273-1800
1.19
0.28
32.820
Cp-g=19.3944 kJoule/(kg Kº) 3.14. Calor especifico molar de los gases de combustión.
Cpg=1.2975 kJoule/(kgmol Kº)
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3.15 Determinación de las Pérdidas de un Generador de Vapor.
3.15.1 Calculo de Perdida por Gases de combustión. Es la mayor de las pérdidas que ocurren en el generador. Los gases al salir de la caldera arrastran consigo una determinada cantidad de calor sensible hacia la atmosfera.
Para finalmente obtener un valor de Q2=1.9481% 3.15.2 Calculo de las Perdidas por combustión Química.
Para finalmente obtener un valor de Q3=2.6245 % 3.15.3 Calculo de las Perdidas por combustión mecánicamente incompleta Debido a que asumiremos los valores de porciones de cenizas contenidas en la escoria, caídas a través de la parrilla y arrastradas, respecto de toda la cantidad de cenizas introducidas en el hogar del combustible. Asumiremos también el contenido de los elementos de combustibles en la escoria. Para finalmente obtener un valor de: Q4 = 5% 3.15.2 Calculo de las Perdidas por radiación y conducción
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Los datos obtenidos, el combustible tiene un flujo = 33696 kg/h = Finalmente obtener un valor de: Q5 = 0.00489 % 3.15.2 Calculo de las Perdidas por cenizas Necesitamos algunos valores previos para calcular, el cálculo de pérdidas por cenizas. Debido a que no se generan muchas pérdidas por cenizas asumiremos un 1% Q6 = 1 % Finalmente la efician de la caldera podemos obtenerla de la siguiente fórmula ya mencionada :
89.39454%
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CUANDO EL COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE ES 110%
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CALCULO VARIANDO EL EXCESO DE AIRE
COEFIFICIENTE DE EXCESO DE AIRE = 120% Calculo de los gases de combustión
ᵨg
0.000358338
Calor especifico de los gases de combustión cp-g
18.33364593 Calor especifico molar de los gases de combustión
cpg
1.290565751 Calculo de pérdidas por gases de combustión
Q2
0.137681617 Calculo de pérdidas por combustión química
Q3
2.651806206 Calculo de pérdidas por combustión mecánicamente incompleta
Q4
5 Calculo de pérdidas por radiación y conducción
Q5
0.00489 Calculo de pérdidas por cenizas
Q6
1 EFICIENCIA DE LA CALDERA
N caldera
91.20562218
COEFIFICIENTE DE EXCESO DE AIRE = 130% Calculo de los gases de combustión 0.000343156
ᵨg
Calor especifico de los gases de combustión cp-g
17.46850796 Calor especifico molar de los gases de combustión
cpg
1.2840707 Calculo de pérdidas por gases de combustión
Q2
0.144949573 Calculo de pérdidas por combustión química
Q3
2.651806206 Calculo de pérdidas por combustión mecánicamente incompleta
Q4
5 Calculo de pérdidas por radiación y conducción
Q5
0.00489 Calculo de pérdidas por cenizas
Q6
1 EFICIENCIA DE LA CALDERA
N caldera CICLO 2014 - I
91.19835422 TERMODINAMICA II
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COEFIFICIENTE DE EXCESO DE AIRE = 140% Calculo de los gases de combustión 0.000330607
ᵨg
Calor especifico de los gases de combustión cp-g
16.75343289 Calor especifico molar de los gases de combustión
cpg
1.278251944 Calculo de pérdidas por gases de combustión
Q2
0.152217529 Calculo de pérdidas por combustión química
Q3
2.651806206 Calculo de pérdidas por combustión mecánicamente incompleta
Q4
5 Calculo de pérdidas por radiación y conducción
Q5
0.00489 Calculo de pérdidas por cenizas
Q6
1 EFICIENCIA DE LA CALDERA
N caldera
91.19108627 COEFIFICIENTE DE EXCESO DE AIRE = 150% Calculo de los gases de combustión 0.000320061
ᵨg
Calor especifico de los gases de combustión cp-g
16.15249283 Calor especifico molar de los gases de combustión
cpg
1.273009081 Calculo de pérdidas por gases de combustión
Q2
0.159485484 Calculo de pérdidas por combustión química
Q3
2.651806206 Calculo de pérdidas por combustión mecánicamente incompleta
Q4
5 Calculo de pérdidas por radiación y conducción
Q5
0.00489 Calculo de pérdidas por cenizas
Q6
1 EFICIENCIA DE LA CALDERA
N caldera
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91.18381831
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Una vez realizado el presente informe, concluimos lo siguiente:
La eficiencia va disminuyendo a medida que controlamos el exceso de aire
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