Ingeniería Básica de una Caldera para Biomasa y un Motor de

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
FACULTAD DE INGENIERIA
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UBA
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INGENIERÍA BÁSICA DE UNA CALDERA
PARA BIOMASA Y UN MOTOR DE
VAPOR DE 150 HP
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RESUMEN EJECUTIVO –
TRABAJO PROFESIONAL DE INGENIERIA
MECÁNICA
Alumnos:
CAPITANICH, Agustín
GORCHS, Miguel
ROMERO, Pablo Daniel
SAEZ, Sergio Conrado
Tutor:
ATENCIO, Roberto
- Enero 2011 -
Proyecto MVM-150 INTI – FIUBA
Resumen ejecutivo
El objetivo de este trabajo es el desarrollo, en el marco de un proyecto conjunto entre el
Instituto Nacional de Tecnología Industrial (NTI) y la Facultad de Ingeniería de la Universidad
de Buenos Aires (FIUBA), de la ingeniería básica y de detalle de los componentes críticos de un
motor alternativo de vapor de doble efecto y expansión en una etapa, de baja potencia (150 HP
nominales); y una caldera humotubular del tipo de locomotora de vapor (ciclo abierto), para ser
integrados en plantas de fuerza motriz, utilizando residuos de biomasa provenientes de diversos
procesos, ya sean foresto-industriales, agroindustriales o urbanos, como fuente primaria de
energía. Como parámetros fundamentales de diseño se adoptan una presión de trabajo en la
caldera de 21 bar y una temperatura de vapor sobrecalentado de 400 °C.
La elección de realizar el diseño de un motor alternativo en conjunto con la caldera,
responde a varios aspectos. Por un lado, en el rango de potencia considerado como marco
general para el proyecto (por debajo de los 1000 HP), y en particular para nuestra potencia de
diseño (150 HP), los motores alternativos presentan mejor rendimiento que las turbinas cuando
trabajan en cargas parciales, que es una condición planteada para la máquina a diseñar, y pueden
mantenerlo relativamente constante en todo el rango de potencias. Por otra parte, en lo relativo a
la mecánica general, el motor alternativo de vapor es una maquina sumamente simple, tanto para
su fabricación, como para su operación y mantenimiento. Por último, desde el punto de vista de
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las emisiones de gases, si se adopta un diseño adecuado y moderno de la caldera y el motor, y
utilizando residuos de biomasa como combustible, se pude reducir drásticamente la liberación de
sustancias contaminantes, frente a los motores alternativos que funcionan con combustibles
fósiles.
El diseño se llevó a cabo a partir de las tecnologías desarrolladas por el ingeniero
argentino Livio Dante PORTA, en el campo del vapor moderno como fuerza motriz para el
transporte ferroviario. Algunas de ellas se enumeran a continuación.
Sistema de combustión por gasificación (GPCS, por sus siglas en inglés). Este sistema de
combustión consiste en dos etapas. En la primera se producen gases a partir del combustible
sólido por medio de una combustión incompleta, y la segunda etapa es donde los productos de la
gasificación son quemados, permitiendo obtener una combustión prácticamente completa y de
alta eficiencia, con un nivel de emisiones contaminantes muy bajo.
Tratamiento de agua avanzado para calderas de ciclo abierto (“Porta Treatment”)
desarrollado por el ingeniero PORTA, el cual se basa en utilizar a fondo la capacidad de ciertas
poliamidas como antiebullicivos. Consiste en agregar al agua de alimentación ciertos reactivos
corrientes, de bajo costo y aceptables desde el punto de vista de la preservación del medio
ambiente. Así, se logra un funcionamiento óptimo de la caldera cualesquiera sean las
características del agua de alimentación, erradicando los problemas asociados a las
incrustaciones, formación de espuma, corrosión y fragilidad cáustica, y espaciando mucho los
lavados de la caldera (hasta 9 meses, a diferencia de una o dos semanas con las tecnologías
tradicionales).
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Diseño de eyector de alta eficiencia (Lempor): Este dispositivo, induce vacío en la caja de
humos y es de vital importancia para lograr la evacuación de los gases y aumentar el rendimiento
de la caldera. Su importancia radica en que induce una alta velocidad de ingreso de aire
secundario a la cámara de combustión, creando condiciones de alta turbulencia y logrando una
alta eficiencia de combustión y por lo tanto una mayor producción de vapor, lo que se traduce en
la posibilidad de disponer de una cámara de combustión más compacta para una misma
producción de vapor y menor consumo de combustible.
Diseño avanzado de los conductos de vapor y pasajes internos: Grandes secciones de
pasaje en los conductos, eliminación de los ángulos vivos y las estrangulaciones del flujo. Con
esto se reducen las pérdidas de carga, se mejora el flujo del vapor a través de los conductos y se
reducen las pérdidas de potencia en el motor.
Análisis avanzado de la tribología y lubricación del motor, que consiste en llevar adelante
un estudio profundo de los fenómenos que ocurren en el motor, aplicando conceptos
fundamentales de termodinámica, fluido-dinámica y resistencia de materiales, y no basarse en
análisis puramente empíricos y en el uso común, como era la práctica usual en el diseño de
locomotoras.
Aplicación de aislación térmica avanzada, tanto en la caldera como en el motor, buscando
minimizar las pérdidas de energía y optimizar el funcionamiento del equipo. De esta manera se
puede lograr que el motor funcione por turnos espaciados sin tener problemas para encender la
caldera al día siguiente, porque esta aún tiene vapor que sirve para hacer funcionar el eyector de
escape y lograr rápidamente una buena combustión. Además la aislación hace que los ciclos
térmicos de la caldera sean menos frecuentes. La caldera solo se enfría completamente en el
momento del lavado, lo que gracias al tratamiento de agua de PORTA ocurre cada cinco, seis y
hasta nueve meses.
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Con esos elementos como punto de partida, se realizó un pre-dimensionamiento del
conjunto en base a la bibliografía estudiada, y luego se desarrollaron los cálculos
termodinámicos de la caldera y el motor, para obtener los consumos teóricos de combustible,
agua y vapor, la potencia teórica entregada, la verificación de la transmisión de calor para los
componentes de la caldera, las dimensiones de la cámara de combustión, las especificaciones del
eyector, las dimensiones del cilindro, la válvula y el diseño general de los conjuntos y
subconjuntos (elementos de medición de la caldera, transmisión del motor, mecanismo de
accionamiento de la válvula, bastidor, layout general de la planta).
En una etapa posterior, que no forma parte de este trabajo, en el marco del proyecto del
INTI-FIUBA, se desarrollará la ingeniería de detalle de todos los componentes, con el objetivo
de construir y ensayar este prototipo, y de utilizarlo como punto de partida para aplicar nuevas
mejoras en el diseño (ciclos “compound” de múltiples expansiones, mayores temperaturas y
presiones de trabajo, ciclos con condensación, introducción de controles electrónicos), con vistas
a probar que la utilización del motor alternativo de vapor, puede ser de aplicación real y
económicamente ventajosa frente a otras tecnologías, en el contexto energético actual del país y
del mundo, y con vistas a su integración en un sistema de generación distribuida.
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