Propiedades Fisico Quimicas

CENTRALES DE PRODUCCION DE ENERGIA INGENIERIA MECANICA

INDICE I. PODER CALORIFICO 1.1. PODER CALORIFICO SUPERIOR 1.2. PODER CALORIFICO INFERIOR 1.3. INTERPRETACION GRAFICA DEL PODER CALORIFICO INFERIOR Y DEL PODER CALORIFICO SUPERIOR 1.4. RELACION ENTRE LOS PODERES CALORIFICOS 1.5. DETERMINACION DEL PODER CALORIFICO 1.5.1. METODO ANALITICO 1.5.2. METODO PRÁCTICO II. COMBUSTIBLES PARA CALDERAS 2.1. CARBON 2.1.1. TIPOS DE CARBON 2.1.2. PROPIEDADES FISICAS F ISICAS Y QUIMCAS 2.2. PETROLEO BUNKER C 2.2.1. PROPIEDADES FISICO F ISICO QUIMICAS QUI MICAS 2.3. GAS NATURAL PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL

2.4. BAGAZO (CAÑA) 2.4.1. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL BAGAZO

1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO


III. METODOLOGIA DE CALCULO PARA UNA CHIMENEA 3.1. INTRODUCCION OBJETIVOS: FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DISPERSION DE C i Y EN EL DISEÑO DE LA CHIMENEA 3.2. CIRCULACION DEL GAS:TIRO DE LA CHIMENEA 3.3. VELOCIDAD DE SALIDA Y DIAMETRO DE LA CHIMENEA 3.4. TEMPERATURA DEL GAS DE CHIMENEA 3.4.1. INFLUENCIA DE T G: EFECTOS PERJUDUCIALES DEL ENFRIAMIENTO DEL GAS DE CHIMENEA 3.5. MATERIALES DE CONSTRUCCION 3.5.1. CARCASA ESTRUCTURAL 3.5.2. REVESTIMIENTO INTERNO 3.5.3. AISLANTES TERMICOS 3.6. CALCULO DE LA ALTURA DE LA CHIMENEA METODO SIMPLIFICADO METODO RIGUROSO CONCLUSIONES RECOMENDACIONES LINKOGRAFIA

2



PROPIEDADES FISICO QUIMICAS ALGUNOS COMBUSTIBLES I. PODER CALORIFICO Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cúbico, de combustible al oxidarse en forma completa. Es decir cuando el carbono pase a anhídrido carbónico.

     UNIDADES:

              FORMAS El poder calorífico de un combustible puede ser: 

Poder calorífico superior (PCS)



Poder calorífico inferior (PCI)

1.1. PODER CALORIFICO SUPERIOR El poder calorífico superior se define suponiendo que todos los elementos de la combustión (combustible y aire) son tomados a OºC y los productos (gases de combustión) son llevados también a OºC después de la combustión, por lo que el vapor de agua se encontrará totalmente condensado. Vapor de agua que proviene de: a) la humedad propia del combustible y b) el agua formada por la combustión del hidrógeno del combustible. De esta manera al condensar el vapor de agua contenido en los gases de combustión tendremos un aporte de calor de: 597 al / kg vapor de agua condensado

3



1.2. PODER CALORIFICO INFERIOR El poder calorífico inferior considera que el vapor de agua contenido en los gases de la combustión no condensa. Por lo tanto no hay aporte adicional de calor por condensación del vapor de agua. Solo se dispondrá del calor de oxidación del combustible, al cual por definición se denomina: Poder Calorífico Inferior del Combustible

1.3. INTERPRETACION GRAFICA DEL PODER CALORIFICO CALORI FICO INFERIOR INF ERIOR Y DEL D EL PODER CALORIFICO SUPERIOR Para obtener el Poder Calorífico de un combustible es necesario que todo el carbono (C) se oxide en forma completa pasando a anhídrido carbónico (CO 2).

4



1.4. RELACION ENTRE LOS PODERES CALORIFICOS

 Donde: PCI = Poder calorífico inferior (Kcal/kg comb) PCS = Poder calorífico superior (Kcal/kg comb) 597 = Porcentaje en peso del agua formada por la combustión del H 2 mas la humedad propia del combustible (kg agua/kg comb).

 Siendo: 9: son los kilos de agua que se forma al oxidar un kilo de hidrogeno. H: Porcentaje de hidrogeno contenido en el combustible. H2O: Porcentaje de humedad del combustible. Por lo tanto la ecuación anterior queda:

  1.5. DETERMINACION DEL PODER CALORIFICO Existen dos procedimientos para la determinación del poder calorífico de los combustibles, que son:

5



Método analítico



Método practico



1.5.1. METODO ANALITICO El método Analítico consiste en aplicar el Principio de Conservación de la Energía, que expresa: "El poder calorífico de un cuerpo compuesto es igual a la suma de los poderes caloríficos de los elementos simples que lo forman, multiplicados por la cantidad centesimal en que intervienen, descontando de la cantidad de hidrógeno total del combustible la que se enc uentra ya combinada con el oxígeno del mismo”.

Por lo tanto para la aplicación del presente procedimiento es necesario efectuar previamente un ANALISIS ELEMENTAL del combustible cuyo poder calorífico deseamos determinar:

 1.5.2. METODO PRÁCTICO El Método Práctico consiste en el empleo de "Calorímetros" mediante los cuales se puede determinar en forma directa en el laboratorio el poder calorífico de los combustibles. Los métodos calorimétricos consisten en quemar una cierta cantidad de combustible y medir la cantidad de calor producida a través de la energía térmica ganada por un líquido conocido, agua, el que, de acuerdo el método a utilizar, puede estar contenida en un recipiente, o permanecer en continua circulación durante el proceso. En un proceso ideal se cumplirá que:

                        (   ) 6



2. COMBUSTIBLES PARA CALDERAS 2.1. CARBON El carbón es un mineral de origen orgánico más utilizado en la generación de vapor y constituido básicamente básicament e por carbono. Su formación es el resultado de la condensación gradual de la materia de plantas parcialmente descompuestas a lo largo de millones de años. Las plantas al descomponerse forman una capa llamada turba.

2.1.1. TIPOS DE CARBON Hay tres tipos básicos de carbón:

Lignito: Se forma una vez comprimida comprimi da la turba. Es el carbón de menor valor calórico, porque se formó en épocas más recientes y contiene menos carbón (30%) y más agua. Es una sustancia parda y desmenuzable en la que se pueden reconocer algunas estructuras vegetales. •

Hulla: Se origina por la compresión del lignito. Tiene un importante poder calorífico calorífic o por lo que se utiliza en las plantas de producción de energía. Es dura y quebradiza, de color negro. La concentración de carbono está entre el 75 y el 80%. •

Antracita: procede de la transformación de la hulla. Es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de altor poder calorífico. Arde con dificultad pero desprende mucho calor y poco humo. Es negro, brillante y muy duro. Tiene una concentración de hasta el 95% de carbono. •

Con el término genérico de carbón se conoce a los compuestos que tienen en su composición al elemento carbono (C), ordenado regularmente. Los átomos situados en la parte exterior de la estructura cristalina disponen de fuerzas de atracción libre, lo que les permite atraer compuestos existentes en su inmediato alrededor.

7



Todos los átomos de carbono de una estructura estructur a cristalina cristali na se atraen unos a otros, adquiriendo una estructura ordenada. Una de las maneras más sencillas de diferenciar los carbones que se encuentran en la naturaleza de aquellos que son fabricados por el hombre, es de acuerdo al grado de ordenamiento de sus átomos. En el extremo de mayor orden se encuentra el diamante y poco antes de éste el grafito. De acuerdo con esto un carbón estará más ordenado mientras su proceso de formación se haya llevado a cabo a mayor temperatura y a mayor tiempo.

2.1.2. PROPIEDADES FISICAS Y QUIMCAS

8



2.2. PETROLEO BUNKER C Llamado petróleo Industrial N° 6, es un petróleo residual de la destilación del petróleo alta viscosidad y con cierto grado de impureza, utilizado mayormente en hornos industriales y comerciales. Requiere precalentamiento en el tanque de almacenamiento para permitir su bombeo y calentamiento adicional en el quemador para su atomización. El equipamiento adicional para manipular este combustible desfavorece su aplicación en instalaciones pequeñas.

2.2.1. PROPIEDADES FISICO QUIMICAS

9



2.3. GAS NATURAL El gas natural es un energético natural de origen fósil que se encuentra normalmente en el subsuelo continental o marino. Como su nombre lo indica, no proviene de un proceso de fabricación industrial; por el contrario, es un producto que se encuentra en la naturaleza en grandes depósitos subterráneos (cuencas gasíferas o yacimientos).

Se formó hace millones de años cuando una serie de organismos descompuestos como animales y plantas quedaron sepultados bajo lodo y arena, en lo más profundo de antiguos lagos y océanos. En la medida que se acumulaba lodo, arena y sedimento se fueron formando capas de roca a gran profundidad. La presión causada por el peso sobre éstas capas, más el calor de la tierra, transformaron lentamente el material orgánico

en

petróleo

crudo

y

en

gas

natural.

El gas se acumula en bolsas entre la porosidad de las rocas subterráneas. Pero en ocasiones, queda atrapado debajo de la tierra por rocas sólidas que evitan que el gas fluya, formándose lo que se conoce como yacimiento. Desde esos depósitos naturales se lo extrae a través de perforaciones de la capa terrestre o submarina, lo que se denomina pozo. 2.3.1. Propiedades Fisicoquímicas

Poder calorífico: Aunque los los gases naturales naturales extraídos extraídos de pozo tienen una una banda de poderes poderes caloríficos bastante amplia, se maneja el valor de 9300 kcal/m3.

10



Densidad: El gas natural tiene la ventaja frente a los gases licuados de petróleo por su baja densidad (menor a la del aire). Un valor promedio de densidad de gas natural relativa al aire es de 0,62 lo que da la ventaja de dispersión de las posibles fugas. En términos de densidad absoluta, un metro cúbico de gas natural pesa aproximadamente 800 gramos (considerando una densidad relativa al aire de 0,62 y una densidad absoluta de aire de 1,293 kg/m3: a partir de estos dos valores se llega a una densidad absoluta del gas natural de 0,80 kg/m3).

Humedad: El gas natural es considerado un gas seco y sólo contiene en el momento de la extracción, trazas de humedad (factor fundamental a tener en cuenta en las especificaciones de producto). Temperatura de inflamación: No basta que la proporción de gas en aire se encuentre dentro del rango de inflamabilidad sino que también se debe llegar a una temperatura mínima para que la mezcla entre en combustión. Esa temperatura mínima a la cual la mezcla se enciende es lo que llamamos temperatura de inflamación. En el caso del gas natural el valor es de 650ºC la cual es superior a la temperatura de los otros combustibles gaseosos manejados. Compresibilidad: El gas natural es el único que tiene la particularidad de no licuar por presión. A temperatura ambiente se lo puede someter a la presión que se desee permaneciendo en estado gaseoso. El licuado del gas natural de produce por temperatura exclusivamente y se logra a la temperatura de 160º centígrados bajo cero.

11



2.3.2. Composición del Gas Natural El Gas Natural es una mezcla de hidrocarburos livianos que, a temperatura ambiente y presión atmosférica, permanece en estado gaseoso. Está compuesta por gases como el metano, que es el componente mayoritario y se encuentra en más de un 90%. Una composición típica puede ser la siguiente: Metano

92,0

Etano

4,2

Propano

0,6

Butano

0,1

Nitrógeno

1,0

Anhídrido Anhídrido carbónico 2,1

2.4. BAGAZO (CAÑA) La caña de azúcar crece en climas tropicales y subtropicales. El bagazo es el residuo fibroso que queda de la caña después de ser exprimida y de pasar por el proceso de extracción. Por lo general el bagazo se utiliza en los ingenios azucareros como combustible, sin embargo para la industria papelera representa una de las materias primas más importantes. El bagazo, subproducto de la industria azucarera, conserva una posición única entre las fibras no leñosas consiste en que el costo de su recolección, la extracción de jugo y su limpieza, son cargo del ingenio azucarero.

12



2.4.1. Propiedades físicas y químicas del bagazo El bagazo completo está integrado por tres componentes principales: 

El recubrimiento, en el que se incluye la epidermis, la corteza y el periciclo.



Los mazos de fibra vascular, entre los que figuran las células conductoras de pared delgada asociadas con fibras de pared relativamente con estrecho lumen.



El tejido básico (parénquima) o medula, con mazos de fibra distribuidos irregularmente.

La composición química de las diferentes fracciones de bagazo, incluyendo el bagazo entero, la fibra separada y la medula se indican en la Tabla 1. Tabla 1. Propiedades químicas de las fracciones del bagazo (2)

13

Entero Fibra

Medula

Solubilidad en éter (%)

0.25

0.12

2.5

Solubilidad en alcohol-benceno (%)

4.1

1.8

2.8

Solubilidad en agua caliente (%)

2.5

0.9

1.9

Lignina (%)

20.2

20.8

20.2

Pentosas (%)

26.7

27.9

28.4

Hemicelulosa Hemicelulos a (%)

76.6

77.8

77.7

Alfa celulosa celulosa (%)

38.1

42.4

34.8

Ceniza (%)

1.67

0.7

2.29



3. METODOLOGIA DE CALCULO PARA UNA CHIMENEA Con el nombre de chimenea se designa cualquier clase de tubo o hueco destinado a conducir los gases de la combustión de los hogares hacia arriba, dándoles salida al exterior por encima de

cubiertas y tejados. En las casas de viviendas y demás

construcciones urbanas suelen construirse interiormente, salvo escasas excepciones; en la industria, en cambio, generalmente se construyen aisladas y al exterior. Según sean los gases de la combustión, se distinguen las chimeneas para humos y las chimeneas para escapes de gases. Las chimeneas para para humos sirven para lanzar hacia arriba los productos de la combustión de materias sólidas y líquidas combustibles, como leña, la turba, el lignito, la hulla, el coque, y los aceites combustibles, mientras que las chimeneas de escape o salida de gases sirven para expulsar al exterior los gases residuales de los combustibles gaseosos

quemados.

Las

conducciones

de

ventilación no son verdaderas chimeneas, aún cuando la misión que desempeñan es parecida.

3.1. INTRODUCCION OBJETIVOS:

14



Dilución de contaminantes y dispersión en la atmosfera



Diseño: 

Altura



Diámetro



Materiales



Necesidades de impulsión



FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DISPERSION DE C i Y EN EL DISEÑO DE LA CHIMENEA 

Normativa: concentraciones máximas de inmisión de C i



Factores meteorológicos y topográficos



Características Características químicas de los gases



Caudales de emisión



Fluidodinámica de la circulación del gas: perdida de carga



Temperatura del gas de chimenea

3.2. CIRCULACION DEL GAS:TIRO DE LA CHIMENEA CONCEPTO: Tiro de la chimenea: Diferencial de presión creado por la diferencia de densidades entre el gas de chimenea y el aire exterior.

Suponiendo ambos gases ideales a presiones similares:

15



BALANCE DE ENERGIA TIRO NATURAL: ha de garantizar una velocidad mínima de salida del gas.

a) Energía cinética del gas: velocidad mínima establecida según altura

b) Caída de presión por rozamiento: varias ecuaciones propuestas.

Ecuación de Weymouth:

Donde:

Aplicabilidad Aplicabilidad de la ley: ley: o

Gas ideal

o

Flujo isotermo o

o

Vgas<35 m/s



Otras expresiones para

16

∑ :



TIRO FORZADO: Se presenta cuando el tiro natural es insuficiente. Se aporta potencia.

3.3. VELOCIDAD DE SALIDA Y DIAMETRO DE LA CHIMENEA DIAMETRO INTERNO:

Velocidades mínimas de salida: Necesarias para: 

Evitar arrastres hacia abajo



Perdida de flotabilidad y altura efectiva



17

Entrada de aire frio a la chimenea



DIAMETRO EXTERNO: depende de la estructura (apdo 4) FORMA HABITUAL: Sección circular ligeramente convergente. 3.4. TEMPERATURA DEL GAS DE CHIMENEA 3.4.1. ESTIMACION DE T g  Perdidas de calor en la chimenea



18

Transmisión de calor a través de la pared de la chimenea





Datos necesarios: coeficientes h y K



H=f(T), calculo iterativo



Diseño en la situación mas desfavorable (menor T a posible)

3.4.2. INFLUENCIA DE T G: EFECTOS PERJUDUCIALES DEL ENFRIAMIENTO DEL GAS DE CHIMENEA 

Emisión de hollín acido 

Baja temperatura en la chimenea (baja T 1, aislamiento deficiente, etc.)



Azufre en los combustibles

 gases ácidos (SO ) 2

Tg inferior al punto de roció del acido (130°C-160°C)

Formación de nieblas de sulfúrico Condensación de acido en la cara interna

19



Consecuencia Hollín acido: aglomeración de PS con el acido liquido. Deposición acida solida en las proximidades. 

Perdida de flotabilidad Flotabilidad (m^4 / s^3): Es la tendencia ascendente del gas por su alta T y baja densidad, es muy importante en el cálculo de la altura de una chimenea.



Perdida de tiro



Disminución de Vg y necesidad de mayor V g por descenso del tiro

3.5. MATERIALES DE CONSTRUCCION 3.5.1. CARCASA ESTRUCTURAL





Materiales antiguos: ladrillos



Materiales modernos: hormigón o acero. Prefabricadas si h<60 m.



No tienen propiedad aislante

3.5.2. REVESTIMIENTO INTERNO Ladrillos resistentes a los ácidos 

Ventajas: resistentes y duraderos



Inconvenientes: Necesitan mortero resistente a los ácidos Fragilidad ante choques térmicos Mucha conductividad térmica



Acero Plancha de 2 a 5 mm de espesor Temperatura máxima 500°C

20



3.5.3. AISLANTES TERMICOS



Ladrillos Moler



Ladrillo poroso, poco denso. Ventaja: Baja conductividad Inconveniente: absorbe agua lo que lo hace más frágil.

3.6. CALCULO DE LA ALTURA DE LA CHIMENEA 3.6.1. Requerimientos Requerimient os de la l a EPA • Directrices adoptadas en años ’80:

- Mínimo 65 m - Considerando edificios adyacentes: h = 2.5·z. Posteriormente se cambió a h=z+1.5·L - La que resulte de aplicación de un modelo de dispersión (cálculo riguroso).

21



3.6.2. Normativa española •Orden 18 Octubre 1976 (BOE 290, 3 -12-76):

Establece la obligatoriedad de incluir cálculo de la altura de la chimenea en un proyecto

a) Método SIMPLIFICADO (instalaciones inferiores a 100 MW de potencia, o con emisiones de gas < 720 kg/h o de PS<100 kg/h) b) Método RIGUROSO basado en modelos de dispersión

METODO SIMPLIFICADO 

Requisito:



Calculo en función de la máxima concentración permitida de un contaminante:



Si hay varios contaminantes: se hace para todos y se toma la mayor h.



Parámetro climatológico A:



(Necesarios datos climatológicos) climatológicos)

22



METODO RIGUROSO 1. FUNDAMENTACION DEL CALCULO

23



Dispersión de contaminantes en la atmosfera: coordenadas.



Dispersión de contaminantes en la atmosfera: Coeficientes de dispersión 

Significado de los coeficientes de dispersión



Calculo:

  



Tabla: índices de las ecuaciones anteriores



24

Determinación aproximada de las condiciones de estabilidad atmosférica







Alternativa a las ecuaciones: calculo grafico de

  

Sobreelevación del penacho 

Concepto e importancia: aumento de la altura efectiva de una chimenea



Calculo: muchos modelos propuestos (Cheremisinoff, 1993). El mas usado es el de Briggs.

a) Estabilidad atmosférica: A, B, C, D

b) Estabilidad atmosférica: E,F

25


CENTRALES DE PRODUCCION DE ENERGIA INGENIERIA MECANICA 

Perfil de velocidades del viento

Tabla: Estabilidades



Modelo de dispersión de contaminantes Modelo Gaussiano simplicado: Modelo de Pasquill

Simplificaciones introducidas sobre el modelo de dispersión inicial: 

Perfil de concentración en la dirección del viento y a nivel del suelo (y=0 , z=0)



No se tiene en cuenta el efecto de la topografía: suelo plano

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Ha de cumplirse que

   a lo largo de x para una altura dada

Se calcula el máximo C=f(x) y se compara con la normativa

26



Tanteo:

Consideraciones finales:

27



Diseño para las condiciones de alta estabilidad (situación más desfavorable)



Dato Tg fundamental para el cálculo, pero a su vez puede depender de h.



Se asume un flujo prácticamente isotermo



CONCLUSIONES 

El diseño de chimeneas de calefacción muchas veces se realiza sin utilizar una metodología apropiada, lo que puede ocasionar un tiro insuficiente, que no es capaz de hacer ingresar aire en cantidad suficiente para una combustión adecuada, produciendo combustión incompleta, bajando la eficiencia de la caldera y aumentando la emisión de contaminantes. O bien, provocando un exceso de tiraje, que produce humos limpios pero a la vez reduce la eficiencia de la transferencia de calor al interior de la caldera.

RECOMENDACION  Se recomienda realizar un estudio más detallado de cada uno de los diferentes combustibles utilizados para el funcionamiento de la caldera con la finalidad de poder comparar sus ventajas y desventajas del uso de cada combustible.

LINKOGRAFIA  http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/01-poder_calorifico.pdf  http://www.redproteger.com.ar/poder_calorifico.htm  http://cadascu.wordpress.com/2011/05/25/poder-calorifico-de-las-sustanacias-mas-comunes/  http://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/propiedades-carbon  http://www.buenastareas.com/ensayos/Caracteristicas-y-Propiedades-Del-

Carbon/3710986.html  http://www.xplab.com/productos/bunker_prop_spn.html  http://www.dse.go.cr/es/03Publicaciones/04Tecnicas/ManualProductos.pdf  http://es.scribd.com/doc/49296301/Propiedades-del-gas-natural-cap-5  http://www.sisi.org.mx/jspsi/documentos/2006/seguimiento/18577/1857700006506_055.pdf  http://www.iztacala.unam.mx/www_fesi/proteccioncivil/higieneyseguridad/memorias_emerg

_quim/miercoles/1_PresentacionGasNatural.pdf _quim/miercoles/1_PresentacionGasNatural. pdf  http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mbt/olvera_a_p/capitulo5.pdf  http://es.scribd.com/doc/24631737/INFORME-BAGAZO  http://www.uclm.es/profesorado/jvillasenor/esp/contatm/tema5-chimeneas.pdf  http://www.areadecalculo.com/monograficos/chime/Chimeneas.pdf

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