Universidad Veracruzana.

Universidad Veracruzana.
Facultad de Ingeniería.
METODOLOGÍA PARA LA EVALUACIÓN DE LA
EFICIENCIA DE CALDERAS EN EL INGENIO CUATOTOLAPAN.
TESIS.
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO
:
PRESENTA.
ANDRADE JUÁREZ GUSTAVO.
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
DR. ARTEMIO DE JESUS BENITEZ FUNDORA.
Coatzacoalcos, Ver. 9 de agosto 2011.
1
DEDICATORIA.
DIOS.
Todo poderoso, por iluminarme y darme la vida.
MI MAMITA.
Vicenta Juárez Sumuano.
Por el apoyo incondicional brindado durante todos éstos años de mi
vida, por darme la oportunidad de crecer profesionalmente y por
encontrar en ella la sabiduría, el amor, los consejos y la paciencia que
me ayudan a vivir día con día.
MI PAPÁ
Donato Andrade Sánchez.
Por guiarme en el camino hacia la superación, su amor, esfuerzo y
sacrificios, para permitirme culminar mis estudios y obtener mi
profesión en Ing. Mecánica eléctrica.
MIS HERMANOS.
Manuel y Joaquín, por acompañarme, ayudarme y estar presentes en
el transcurso de todo éste tiempo.
MI NOVIA.
Yesenia Gómez Sánchez, por su apoyo, amor, comprensión y creer en
mi capacidad.
Al DR. Artemio de Jesús Benítez Fundora,, por su invaluable ayuda para la realización de este trabajo.
ANTECEDENTES.
V
FUNDAMENTACIÓN.
V
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
VI
OBJETIVO GENERAL DEL TRABAJO RECEPCIONAL.
VI
HIPÓTESIS.
VI
CAPÍTULO 1.
INSTALACIÓN DE CALDERAS.
1.1.
Definición de caldera.
1
1.2.
Clasificación de las calderas.
1
1.3.
Importancia de los generadores de vapor.
2
1.4.
Tipos de calderas.
5
1.5.
Descripción y funcionamiento de un generador de vapor.
6
1.6.
Componentes principales de una caldera.
9
1.6.1. Horno.
10
1.6.2. Paredes de agua.
12
1.6.3. Quemadores.
15
1.6.4. Domo.
17
1.6.5. Sobrecalentadores de vapor.
18
1.6.6. Economizadores.
20
1.6.7. Precalentador de aire.
22
1.6.8. Ventilador de tiro forzado.
24
1.6.9. Ventilador de tiro inducido.
25
1.6.10.Alimentador de agua.
26
1.7.
27
Descripción del proceso: Circuito de agua y vapor.
II
CAPÍTULO 2.
BALANCE TÉRMICO DE UNA CALDERA.
2.1.
Procedimientos.
31
2.2.
Composición elemental del bagazo de caña.
32
2.3.
Composición elemental del petróleo.
33
2.4.
Composición elemental de los combustibles.
34
2.5.
Poder calorífico.
36
2.6.
Proceso de combustión.
39
2.7.
Temperatura de combustión.
42
2.8.
Cálculo del volumen teórico de aire.
42
2.9.
Cálculo del volumen real de aire.
43
2.10. Determinación de los volúmenes teóricos de los productos de la
combustión.
43
2.11. Coeficiente de exceso de aire.
46
2.12. Peso molecular de los gases de combustión.
47
2.13. Cálculo de las fracciones.
48
2.14. Densidad de los gases de combustión.
48
2.15. El calor específico de los gases de combustión.
49
2.16. El calor específico molar de los gases de combustión.
49
2.17. Determinación de las pérdidas de un generador de vapor.
50
2.17.1.Cálculo de pérdida por los gases de combustión.
50
2.17.2.Cálculo de pérdida por incombustión química.
51
2.17.3.Cálculo de pérdidas por combustión mecánicamente incompleta.
53
2.17.4.Cálculo de pérdida por radiación y conducción.
54
2.17.5.Cálculo de pérdida por cenizas.
55
III
CAPÍTULO 3.
DIAGNÓSTICO Y RESULTADOS.
3.1.
Muestra de cálculo.
57
3.1.
Resultados.
61
3.2.
Comparación de los combustibles sólidos y líquidos.
62
3.3.
Conclusiones.
64
3.4.
Recomendaciones.
64
ANEXOS.
65
LISTA DE SÍMBOLOS.
68
REFERENCIAS.
72
IV
Antecedentes.
En la visita realizada al ingenio Cuatotolapan se percató del funcionamiento de las
calderas, que no cuentan con un software para el cálculo del rendimiento de cada
una de sus calderas en las cuales se queman tres tipos de combustibles los
cuales son bagazo de caña, combustóleo y biomasa. Se pudo notar que no hay
una cultura de quemar los diferentes combustibles, en particular se observó un
fogoneo constate en las calderas, a pesar de esto, en la parte inferior de las
calderas se forman un tipo de piedra que contiene mucho carbón lo que muestra
que no se están quemando bien los combustibles. Se tomaron muestras de
combustóleo y de bagazo de caña que muestran que Poder Calorífico Superior.
Es necesario hacer un análisis sobre la eficiencia de la caldera para mejorar su
combustión.
En la actualidad las calderas forman parte de los equipos más utilizados por la
industria y junto con los hornos industriales, son los responsables del mayor
porcentaje de consumo de combustibles en este sector, por lo tanto, el
mantenerlas trabajando con una buena eficiencia reditúa beneficios importantes
para las empresas.
Fundamentación.
La crisis energética actual y sus consecuencias económicas en la productividad
industrial han enfocado sus esfuerzos en el uso más eficiente de los recursos con
los que se cuentan para realizar las actividades cotidianas. Sabiendo que las
calderas son equipos de generación de vapor utilizados ampliamente, y que de
ellos dependen muchos procesos, se desarrollara un software para la eficiencia
de las calderas que posibiliten elevar la efectividad y su funcionamiento, así como
disminuir su actual consumo de combustible y emisión de gases contaminantes al
medio ambiente.
V
Planteamiento del problema.
El ingenio Cuatotolapan no cuenta con una metodología científica para el cálculo
del rendimiento de las calderas con combustibles sólidos y líquidos.
Objetivo general del trabajo recepcional.
Evaluar a través del uso de un software la eficiencia energética de las calderas
para conocer si realmente se está optimizando el consumo del combustible en la
generación de energía térmica y eléctrica.
Hipótesis.
Con el software “bagazo de caña” y “combustoleo” se determinar la eficiencia de
las calderas del ingenio Cuatotolapan, con alta precisión.
VI
CAPÍTULO 1.
INSTALACIÓN DE CALDERAS.
1.1.
Definición de caldera.
El término Caldera se aplica a una máquina industrial que sirve para producir
vapor, cuya presión se usa para mover una turbina u otras aplicaciones.1
“Las calderas son diseñadas para transmitir el calor procedente de una fuente
externa (generalmente combustión de algún combustible), a un fluido contenido
dentro de la misma caldera. El líquido debe estar dentro del equipo con las
debidas medidas de seguridad”. El vapor o agua caliente, deben ser alimentados
en las condiciones deseadas, es decir, de acuerdo con la presión, temperatura y
calidad, y en la cantidad que se requiera. Por razones de economía, el calor debe
ser generado y suministrado con un mínimo de pérdidas.
1.2.
Clasificación de las calderas.
Las calderas se utilizan a muy diferentes presiones y temperaturas, con grandes
variaciones de carga y distintos sistemas de combustión. Los diseñadores y
fabricantes aplican los principios de transferencia térmica al diseño de sistemas de
calderas, pero deben también tener amplia formación técnica en mecánica de
fluidos, metalurgia,
resistencia de materiales, quemadores, controles y
dispositivos de seguridad para el sistema de calderas, y todo ello según las
estipulaciones, requerimientos normativos y de Códigos oficiales aprobados de tal
forma que se pueden clasificar, basándose en:2
1. Uso.
2. Presión.
3. Materiales de que están construidas.
4. Tamaño.
5. Contenidos de los tubos.
6. Forma y posición de los tubos.
1
7. Sistema del fogón.
8. Fuente de calor.
9. Clase de combustible.
10. Fluido utilizado.
11. Sistema de circulación.
12. Posición del hogar.
13. Tipo del fogón.
14. Forma general.
15. Propiedades especiales.
1.3.
Importancia de los generadores de vapor.
El generador de vapor, como su nombre lo indica, tiene la función de producir
vapor para ser utilizado en la generación de energía mecánica eléctrica y para la
alimentación a equipos de proceso. Hoy en día este equipo es un elemento
esencial en el funcionamiento de prácticamente todas las empresas industriales.
Por ello se ha llegado a plantear que el generador de vapor es el corazón de toda
industria moderna.
Las
empresas
industriales
necesitan
energía
para
su
funcionamiento,
generalmente, en su forma primaria el calor, o como electricidad. De ahí que
siempre se requiera la presencia de generadores de vapor para producir el vapor
que suministrará el calor o que generará la energía eléctrica. En aquellos casos en
que la industria prescinda de tener sus propios equipos, tendrá que tomar energía
eléctrica del sistema nacional, la que en casi su totalidad es producida en
centrales termoeléctricas con potentes generadores de vapor.
La energía para usos industriales tiene varias fuentes: la energía química de las
sustancias combustibles, la energía potencial del agua acumulada en embalses, la
energía atómica, la energía solar, la energía de las mareas y otras. Pero, a pesar
de existir diversas fuentes, la mayor parte se obtiene de la energía química
2
liberada, en forma de calor por los combustibles al quemarse éstos en los hogares
de los generadores de vapor; de aquí, que el correcto diseño de estos equipos, su
óptima construcción y su eficiente operación, sean de gran importancia y singular
interés, aún si se tiene en cuenta que los recursos combustibles del mundo son
limitados y su mala utilización, además de contribuir a su agotamiento, significa
pérdidas económicas para cualquier nación.
El generador de vapor moderno es un equipo de gran complejidad. Es un
intercambiador de calor altamente especializado, en el cual se transfiere al agua,
el calor desprendido por el combustible, para formar el vapor. Lo componen
diversos equipos con diferentes funciones, pero todos contribuyen a garantizar su
funcionamiento y aumentar su eficiencia térmica. El incremento de la eficiencia en
el generador de vapor es una necesidad de los procesos energéticos, los mismos
en la actualidad presentan valores muy bajos, es decir que de la energía del
combustible al degradarse y una parte perderse por ineficiencia en los
generadores de vapor, las turbinas, los generadores eléctricos, las líneas de
transmisión, los transformadores, los motores eléctricos y los equipos mecánicos,
el hombre sólo puede convertir en trabajo útil entre un 12% y un 30 %, lo que
significa que la mayor parte de ella se pierde.
En los ingenios azucareros y en muchas industrias de proceso, a pesar de tener
generadores de vapor de menor eficiencia, la utilización de la energía es más
efectiva en comparación con las centrales termoeléctricas pues el vapor después
de realizar trabajo y perder calidad su energía, se utiliza en el proceso industrial
continuando la entrega de energía.
En los ingenios azucareros es típico encontrar una sala de calderas con varios
generadores de vapor, oscilando su número generalmente entre 3 y 8, que
suministran vapor para el proceso industrial, para las turbinas o máquinas que
mueven molinos y otros equipos mecánicos, y para las turbinas que mueven los
generadores eléctricos que abastecen la central de energía eléctrica; de hecho
3
entonces, el generador de vapor resulta imprescindible para el funcionamiento del
ingenio.
Una buena parte de las empresas industriales azucareras están interconectadas a
la red nacional del sistema eléctrico, lo que les permite entregar energía eléctrica
cuando les sobra y tomar en los momentos que les falta. Un ingenio bien diseñado
y bien operado debe entregar más energía que de la que toma.
Los generadores de vapor comúnmente llamados calderas en los ingenios
azucareros se abastecen de bagazo como combustible. Este se quema en los
hornos inmediatamente después que sale de los molinos; esto hace que, cuando
por alguna causa se deja de moler caña, lo cual no implica el cese del proceso
industrial ni de generación de energía eléctrica, el abastecimiento de combustible
se vea afectado y será necesario recurrir a reservas de combustóleo que debe
estar almacenado para lograr el periodo normal de operación. Como se
comprenderá, los generadores de vapor no pueden cesar su trabajo en ningún
momento, son el corazón de la empresa industrial.
En la industria azucarera todavía se utiliza, por algunos técnicos y obreros, un
término en desuso para expresar la capacidad de una caldera este término surgió
en los inicios del desarrollo industrial y hoy día no tiene valor técnico, pero resulta
interesante que el ingeniero lo conozca. Este término es: caballo de caldera.
El caballo de caldera es una capacidad de generación de la caldera y equivale a la
evaporación de 34.5 libras de agua desde líquido hasta vapor saturado a 212 °F
en una hora.3
La primera medida del caballo de caldera fue utilizada también para expresar el
tamaño de ésta en cuanto a su superficie de transferencia de calor y se tomaba
como que se producía un caballo de caldera por cada 10 pies 2 de área de
4
calentamiento. Debido a que las calderas varían grandemente en diseño y
eficacia, ésta era una manera muy inadecuada de clasificarlas.
1.4.
Tipos de calderas.
¾ Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se
desplaza a través de tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas
en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y
tienen gran capacidad de generación. (fig. 1.4.1.)
¾ Pirotubulares: en este tipo el fluido en estado líquido se encuentra en un
recipiente y es atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta
temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al
contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de
escape.4
Fig.1.4.1. Esquema de una caladera Acuotubular.
5
1.5.
Descripción y funcionamiento de un generador de vapor.
El generador de vapor tiene la función de transferir al agua, la energía en forma de
calor de los gases producto de la combustión de la sustancia combustible, para
que esta se convierta en vapor. Este equipo, que tuvo prácticamente su origen con
el surgimiento de la máquina de vapor en la época de la revolución industrial, se
ha desarrollado vertiginosamente y en la actualidad se encuentra altamente
especializado en su función. Lo componen diferentes partes, algunas de las cuales
tienen funciones específicas, imprescindibles para el funcionamiento y otras cuya
misión es la de aumentar la eficiencia de la recuperación del calor desprendido y
contribuir, de paso, al funcionamiento correcto del generador de vapor. En dicho
funcionamiento tiene gran importancia el movimiento de los gases portadores del
calor, desde el horno donde se producen hasta la chimenea que los expulsa al
medio ambiente; durante este recorrido es que se ponen en contacto con la
superficie de transferencia de calor.
Por otra parte, el movimiento del agua y de la mezcla agua - vapor que se crea
producto de la aceptación de calor, tiene también singular interés en el
funcionamiento del generador de vapor; este movimiento puede tener dos
orígenes: natural, producto de las fuerzas de empuje que se crean como
consecuencia de las diferencias de densidades entre las partes calentadas y las
no calentadas; o forzado, cuando se crea mediante un equipo mecánico, es decir,
una bomba.
El generador de vapor está compuesto por las siguientes partes principales
Tabla 1.5.1 Partes principales de un generador de vapor.
Horno.
Economizador.
Quemadores.
Calentador de aire.
Paredes de agua.
Ventilador de tiro forzado.
Domo.
Ventilador de tiro inducido.
Sobrecalentador de vapor.
Alimentador de agua.
6
Ahora bien es bueno que se aclare que no todas estas partes son imprescindibles,
así se tienen generadores de vapor sin sobrecalentadores, calentadores de aire, o
economizadores.
Fig.1.5.1 Esquema tecnológico de una instalación de calderas.
a, canal de agua; b, vapor recalentado; c, canal del combustible; d, camino de
circulación del aire; e, canal de los productos de combustión; f, camino de cenizas
y de escoria; 1, tolva de combustible; 2, molino; 3, ventilador de molino; 4,
quemador; 5, contorno del hogar; 6, paredes de tubos del hogar; 7, domo; 8,
recalentador de vapor; 9, economizador de agua; 10, calentador de aire; 11,
depósito de agua de reserva; 12, bomba de alimentación; 13, ventilador; 14,
contorno del edificio de la estación de calderas; 15, dispositivo separador de
cenizas; 16,aspirador de humo; 17, chimenea; 18, estación de bombas para
evacuar el fango (pulpa) de cenizas y escoria.
7
El esquema tecnológico de una instalación de calderas con caIdera de vapor
acuotubular, se deduce en la fig. 1.5.1. El combustible se suministra del depósito,
después de triturado, mediante el transportador hacia la tolva 1 desde la cual se
dirige al sistema de preparación del polvo que tiene un molino 2 para triturar el
combustible sólido. El combustible pulverizado se transporta con ayuda del
ventilador especial 3 por los tubos en flujo aéreos hacia los quemadores 4 del
hogar de la caldera 5 que se encuentra en la sala de calderas 14. A los
quemadores se hace llegar también el aire secundario impulsado por el ventilador
soplador 13 (por lo general a través del calentador de aíre de la caldera 10). Para
alimentar la caldera (colector) 7 con el agua, por la bomba de alimentación 12 a
partir del depósito de agua de alimentación 11 que tiene un dispositivo de
desaireación. Antes de bombear el agua al colector ésta se calienta en el
economizador de agua 9 de la caldera. La evaporación del agua tiene lugar en el
sistema tubular 6. El vapor saturado seco que sale del colector entra en el
recalentador de vapor 8, luego se dirige al consumidor.
La mezcla del combustible con el aire que suministran los quemadores a la
cámara de combustión de la caldera da vapor, se quema, formando una llama de
alta temperatura (aproximadamente de 1500°C) que irradia el calor hacia los tubos
6 dispuestos en la superficie interior de las paredes del hogar. Estas son las
superficies de caldeo y de evaporación que se llaman pantallas. Después de
entregar una parte del calor a las pantallas, los gases de combustión con una
temperatura de cerca de 1000°C pasan a través de la parte superior de la pantalla
trasera cuyos tubos están situados aquí a grandes intervalos (esta parte lleva el
nombre de festón) y contornean el recalentador de vapor. Luego los productos de
la combustión atraviesan el economizador de agua y el calentador de aire y salen
de la caldera con una temperatura que supera algo 100°C. Los gases que salen
de la caldera se purifican, eliminando de ellos las cenizas en el dispositivo
separador de cenizas 15 y se expulsan a la atmósfera por el aspirador de humos
16 a través de la chimenea 17. La ceniza pulverulenta separada de los gases de
combustión y la escoria caída en la parte inferior del hogar se evacuan, como
8
regla, en flujo de agua por los canales y luego la pulpa formada se bombea por
unas bombas de dragado especiales 18 y se evacua por las tuberías. En último
tiempo también se introduce intensamente el transporte de las cenizas por un flujo
de aire. 5
Como se ha aprecia en esta breve descripción, el generador de vapor es un
equipo complejo, en el que se entremezclan fenómenos de reacciones químicas,
transferencia de calor, hidrodinámica del agua y de la mezcla agua - vapor, flujo
de gases y resistencia de materiales sometidos a altas presiones y temperaturas:
todos estos procesos ocurren en un equipo que requiere su correcta explotación,
mantenimiento, un cuidado extremo y el conocimiento profundo de sus
características.
1.6.
Componentes principales de una caldera.
Fig.1.6.1 Detalle del interior de una caldera.
9
Hogar,
(plomo);
Sobrecalentadores,
(rojo);
Pregenerador, (naranja
claro);
Generador o banco generador, (naranja oscuro), economizador y domo, (azul);
condensador de agua, (púrpura).
1.6.1. Horno.
Los hornos de cámara, como su nombre lo indica, están constituidos por una
cámara donde se quema el combustible, en este caso, mediante quemadores a la
llama. Estos pueden operar con combustibles líquidos, gaseosos o sólidos.
La forma general de este horno es un prisma de base cuadrada o rectangular,
cuya altura es mucho mayor que el ancho y la profundidad. Los quemadores se
colocan en la pared frontal, en las paredes laterales y muy excepcionalmente en el
techo.
Los hornos de cámara tienen por lo general todas sus paredes apantalladas,
incluyendo el techo y el piso: presentan además una alta eficiencia, por utilizar el
modo de combustión a la llama que es el más efectivo de todos; aunque esto, en
el caso de los sólidos, obliga en ocasiones a complejos y costosos sistemas de
preparación del combustible. La utilización de este modo de combustión facilita la
automatización del proceso de combustión y el empleo de bajos coeficientes de
exceso de aire lo que ayuda a alcanzar altos valores de eficiencia en el generador
de vapor.
Los hornos de cámara se dividen en dos tipos: horno de cámara abierta (fig.
1.6.1.1 a) y hornos de cámara semiabierta fig. 1.6.1.1 b)
Fig. 1.6.1.1 Hornos de cámara
10
Los hornos con extracción de ceniza seca (fig. 1.6.1.2) son los más ampliamente
utilizados en el mundo, del tipo de cámara abierta y tienen una tolva inferior para
recoger la ceniza que se desprende de las llamas. La región de la tolva tiene una
temperatura muy inferior al de la zona ocupada por las llamas, por lo que la ceniza
cae en forma sólida al fondo de la tolva, donde es extraída periódicamente.
Fig. 1.6.1.2. Horno de cámara abierta con extracción de ceniza seca.
1, tolva inferior; 2, quemadores, 3 cámara de combustión.
En los hornos de cámara es recomendable que exista un sistema automático para
la detección de la combustión y su encendido automático en caso de fallos. Esto
es importante pues, sobre todo en gases y líquidos, la acumulación de mezclas
aire — combustible dentro del horno sin combustionarse, puede provocar
explosiones peligrosas y de graves consecuencias. Este fenómeno también se
prevé mediante la colocación de válvulas de explosión, que son sistemas con una
gran capacidad de desalojo de gases y que accionan en caso de incremento
peligroso de la presión en el horno. Estas válvulas también pueden colocarse en
puntos del conducto de gases.
11
1.6.2. Paredes de agua.
En el horno del generador de vapor, producto del proceso de combustión, se
generan gases con una alta temperatura, e incluso hay amplias regiones de horno
ocupadas por las llamas; esto crea magníficas condiciones para la transferencia
de calor, pues los gases y llamas están en posibilidades de transferirlo tanto por
radiación como por convección. Con el objetivo de captar ese calor desprendido
en el horno, en su superficie interior se colocan las llamadas paredes de agua, que
no son más que filas de tubos alimentados con agua por la parte inferior y en cuyo
interior, producto de la aceptación de calor, se forma una mezcla de vapor y agua
que es descargada al domo. Las paredes de agua reciben también el nombre de
pantallas de agua por la función que hacen de apantallar y proteger del calor las
paredes de refractario.
Las paredes de agua no cubren generalmente toda la superficie interior del horno,
sino sólo un determinado por ciento de ésta, lo que se logra colocando los tubos
de cierta distancia entre sí. Véase a fig. 1.6.2.1. El por ciento que ocupan las
paredes de agua está en dependencia del área de aceptación de calor que deba
colocarse en el horno, para lograr disminuir la temperatura de los gases a la salida
del mismo por debajo de la temperatura de fusión de la ceniza, al salir los gases
con una temperatura superior, la ceniza iría en un estado pastoso, se adhiere a las
superficies de transferencia de los sobrecalentadores o de los tubos de la caldera
y al enfriarse formaría una capa de incrustaciones muy difícil de quitar que
obstruiría la transferencia de calor.
Fig. 1.6.2.1. Pared de agua de tubos lisos.
12
La distancia de las paredes de agua no siempre es uniforme en toda la superficie,
véase la fig. 1.6.2.2; esto se hace con el objetivo de colocar la mayor cantidad de
tubos en el centro del horno y la menor en los ángulos, para obtener una
distribución acorde con el desprendimiento de calor, que en el centro del horno
ocurre en mayor magnitud.
Fig. 1.6.2.2. Pared de agua con la distancia diferenciada de los tubos.
En ocasiones, en las esquinas de los hornos no se colocan tubos de la pared de
agua, pues en ellas la transferencia de calor es baja y se ve afectada la circulación
interior del agua, lo que crea el peligro de estancamiento de la circulación y el
sobrecalentamiento del tubo, estas condiciones favorecen la posibilidad de una
rotura por disminución de las propiedades mecánicas del material del tubo.
Las paredes de agua tienen detalles constructivos interesantes, sin embargo se
puede visualizar algunas colocadas directamente sobre la superficie interior del
horno y también las hay empotradas en dicha superficie, véase la fig. 1.6.2.3
13
Fig. 1.6.2.3 Distintos sistemas de colocación de los tubos de las paredes de agua
en relación con la pared de refractarios.
El objetivo primario de este elemento, que consiste en la protección del refractario
del hogar para evitar su erosión y rotura. Un corte típico es:
Fig. 1.6.2.4 Partes que forman una pared de agua.
Las paredes de agua por lo general están interconectadas al domo, tanto para su
suministro de agua como para la descarga de la mezcla agua – vapor, a través de
colectores, estos se comunican con el domo mediante un número menor de tubos
para evitar hacer una gran cantidad de huecos en él, lo que lo debilitara mucho
desde el punto de vista de su resistencia mecánica.
14
1.6.3. Quemadores.
Los quemadores son los dispositivos destinados a logar el mezclado del
combustible y el aire y su combustión, de manera tal, que se logre formar una
llama estable en el tiempo, y eficiente en cuanto a la combustión.
La finalidad de un equipo de combustión es el desarrollo de una reacción química.
Todo proceso de preparación del combustible, y el que se ha desarrollado de
manera interna en el quemador, tiene por objeto el conseguir que esta reacción
de oxidación tenga lugar de la manera más perfecta; para poder lograrlo la
química elemental dice que, además de manejar la proporción adecuada de
combustible y de comburente, hay que conseguir la perfecta unión entre ambos. El
cometido principal de un quemador es que el combustible atomizado se inyecte en
el punto idóneo para que se mezcle íntimamente con el comburente, que se debe
inyectar siempre circundándolo y perfectamente equilibrado.
En el caso de los combustibles líquidos es necesario dividirlos en gotitas
minúsculas, es decir, pulverizarlos, con el objetivo de aumentar considerablemente
la superficie de contacto entre el líquido y el aire, y de este modo permitir que las
reacciones de combustión se produzcan de forma completa. Para realizar la
pulverización se deben vencer las fuerzas de atracción y de tensión superficial que
mantienen la cohesión entre las moléculas.
Este quemador de combustibles sólidos basa su principio de funcionamiento en
crear con el chorro de aire, una amplia zona de recirculación de velocidades
interiores a 3 m/s, que da tiempos de retención de las partículas de 8 a 15 veces
superiores a los sistemas tradicionaIes. Estas características se logran con un
estabilizador formado por dos conos concéntricos unidos por paletas inclinadas, el
conjunto además de hacer funciones del estabilizador gira y funciona como
ventilador para transportar el combustible hacia la zona de la llama. En la fig.
1.6.3.1. Puede verse un esquema del quemador.
15
Fig. 1.6.3.1. Quemador a la llama de partículas finas de bagazo.
El quemador de bagazo dispone de un quemador auxiliar de gas que se utiliza
solo en el arranque.
Existen otros quemadores a la Ilama de bagazo pero que necesitan de un
quemador de un combustible auxiliar (gas o aceite combustible pesado) que opera
constantemente para garantizar la estabilidad de la llama.
El quemador mostrado en la fig. 1.6.3.1 tiene como limitantes el tamaño y la
humedad de las partículas que puede procesar, lo que impide emplear el bagazo
como sale del último molino y obliga al empleo de secadores y cIasificadores.
Los criterios que se deben seguir en la elección de un quemador dependen del
tipo de caldera elegida y de la función que deseamos dar a dicha caldera; por ello
para elegir un quemador hay que tener en cuenta los siguientes criterios, la
temperatura que se desea alcanzar, el reciclado, el
precalentamiento del
combustible, la oxigenación del quemador, la naturaleza de los productos de
combustión, la flexibilidad del funcionamiento de la caldera y respectivamente del
quemador y el ruido generado por la caldera en funcionamiento.
16
1.6.4. Domo.
Su función es asegurar el suministro de agua y de vapor, a los tubos de caldera y
a los sobrecalentadores, respectivamente
.
El domo recibe agua desde el condensador de agua, y una mezcla de agua y
micro burbujas de vapor desde los tubos ascendentes de paredes, prebanco y
banco de generador.
El agua separada del vapor retorna a la parte inferior del cuerpo. El vapor saturado
abandona el domo por la parte superior, hacia el sobrecalentador (fig. 1.6.4.1).
Además se realiza el control de nivel de agua de la caldera, permitiendo minimizar
las oscilaciones que presenta, debido a las variaciones repentinas ocasionadas
por la demanda de vapor.
Fig. 1.6.4.1 Domo de vapor.
17
1.6.5. Sobrecalentadores de vapor.
Recalentadores (sobrecalentadores) de vapor. Un recalentador de vapor se
destina para elevar la temperatura del vapor que llega del sistema vaporizador de
la caldera. Es uno de los elementos más importantes del grupo de caldera. Con
ascenso de los parámetros de vapor la percepción de calor por los
sobrecalentadores crece de hasta el 60% de toda la percepción de calor por el
grupo de caldera. El deseo de obtener un recalentamiento alto de vapor obliga a
disponer una parte del sobrecalentador en la zona de altas temperaturas de los
productos de combustión, lo que naturalmente reduce la resistencia mecánica del
metal de los tubos. Según el procedimiento que determina la transmisión de calor
a partir de los gases, los recalentadores o sus etapas separadas se dividen en los
de convección, de radiación y de semiradiación (fig.1.6.5.1).
Fig.1.6.5.1 Esquema de un recalentador por radiación y convección de vapor.
18
1, domo; 2, recalentador por radiación de pared; 3, recalentador de calor
semiradiante; 4, recalentador por radiación de techo; 5, recalentador por
convección; 6, evacuación de vapor recalentado.
Superficie de caldeo de bajas temperaturas (se llaman también de cola). Se
consideran superficies de bajas temperatura las que se ubican en conducto de gas
de convección y trabajan a temperaturas relativamente no altas de los productos
de combustión. A éstas se refieren los economizadores de agua y los
recalentadores de aire.
El sobrecalentador está compuesto por cuatro cuerpos, primario A, primario B,
secundario y terciario.
Posee cuatro atemperadores, dos de los cuales se encuentran ubicados en la
salida del sobrecalentador primario A, y dos en la salida del sobrecalentador
secundario. Dos de ellos funcionan con condensado y dos con agua de
alimentación (fig.1.6.5.2).
Fig.1.6.5.2. Sobrecalentadores.
19
1.6.6. Economizadores.
Los economizadores de agua se destinan para calentar el agua de alimentación
antes de que entre en la parte vaporizadora del grupo de caldera por el cual pasa
el caIor de los gases salientes. La mayoría de las veces los economizadores se
elaboran con tubos de acero de 23 – 38 mm de diámetro que están doblados en
forma de serpentines verticales y combinados en paquete.
Fig.1.6.6.1. Sección (paquete) de un economizador de agua.
1, colector; 2, tubos de serpentines del economizador; 3, montantes; 4, viga de
apoyo enfriada por el aire.
De acuerdo con el grado de calentamiento del agua los economizadores se
dividen en los hirvientes y no hirvientes. En un economizador hirviente hasta el
20% de agua puede convertirse en vapor.
El número total de tubos que trabajan en paralelo, se elige tomando en
consideración la velocidad del
agua que sea no inferior a 0,5 m/s para los
economizadores no hirvientes y de 1 m/s. para los hirvientes. Estas velocidades
están proporcionadas por la necesidad de lavar desde las paredes de tubos las
20
burbujas de aire que contribuyen a la corrosión, y para prevenir la separación de la
mezcla de agua y de vapor, lo que puede conducir al sobrecalentamiento de la
pared superior del tubo enfriada débilmente por el vapor y la rotura de dicho tubo.
La circulación del agua en un economizador es obligatoriamente ascendente.
Su función es elevar la temperatura del agua de alimentación que circula por los
tubos, utilizando el calor entregado por los gases de combustión (fig. 1.6.6.2).
Fig. 1.6.6.2. Vista frontal economizadores.
Ventajas:
1) Se incrementa la eficiencia térmica de la caldera lo que reduce en un
ahorro de combustible por kg de vapor generado.
2) Se reduce la emisión de gases calientes a la atmósfera.
3) Se alimenta agua caliente a la caldera reduciendo el shock térmico.
4) Se libera capacidad de la caldera para producir vapor adicional para
proceso.
21
1.6.7. Precalentador de aire.
El precalentador de aire (Fig.1.6.7.1) se coloca entre el ventilador de tiro forzado y
el calentador de aire, para evitar que éste entre frío y se intensifique la corrosión.
Esto no es más que un intercambiador de calor operado con vapor.
El calor aceptado por el aire en el precalentador se tienen en cuenta como fuente
externa de energía pues este equipo trabaja con vapor que se toma del ya
entregado por la caldera, es decir, se toma del sistema.
Fig. 1.6.7.1. Esquema de instalación de un precalentador de aire.
Los calentadores de aire se emplean con el fin de elevar la temperatura del aire
que se dirige al hogar y a los dispositivos de molienda, aprovechando el calor de
los gases salientes.
Según el principio de funcionamiento los calentadores de aire se dividen en los
recuperativos y los regenerativos. En los calentadores de aire recuperativos el
calor de los gases al aire se transmite a través de la pared inmóvil metálica de
tubo que les separa.
22
Con frecuencia al precalentar aire para la combustión antes de ponerlo en
contacto con el combustible. Esto es necesario cuando se queman combustibles
con un alto contenido de humedad. En un calentador de aire se capta el aire
ambiente y se precalienta utilizando el calor sensible del gas de chimenea de la
caldera que sé esta descargando de la unidad. Esto aumenta la eficiencia global y
elimina el uso de combustible extra para este propósito. Este es un tipo de Unidad
de Recuperación de Calor (Fig. 1.6.7.2).
Fig. 1.6.7.2. Calentador de aire recuperativo tubular de tres pasos.
1, tubos; 2, tablas de tubos; 3, tabiques; 4, canales de trasiego.
23
1.6.8. Ventilador de tiro forzado.
Su función es impulsar aire desde la atmósfera hacia el hogar, a través de las
boquillas de aire primario, secundario y terciario.
En general las calderas poseen tres ventiladores de tiro forzado.
Fig. 1.6.8.1. Ventilador de tiro forzado.
24
1.6.9. Ventilador de tiro inducido.
Son máquinas roto dinámicas que extraen los gases de combustión desde el
interior de la caldera, manteniendo en el hogar una presión balanceada o
levemente negativa — 5 mm WC.
Las calderas generalmente poseen tres ventiladores de tiro inducido.
Fig. 1.6.9.1. Ventilador de tiro inducido.
25
1.6.10.
Alimentador de agua.
Se encarga de la recolección del agua formada por la condensación del vapor, que
retorna de las líneas y equipos, para de esta forma ser reinyectada a la caldera
por medio de la bomba de alimentación.
Su función es abastecer de agua a la caldera.
Posee dos bombas eléctricas y una turbo bomba, que opera en caso de falla
eléctrica (fig. 1.6.10.1).
Fig. 1.6.10.1. Alimentación de agua.
26
1.7.
Descripción del proceso: Circuito de agua y vapor.
El sistema de agua y vapor comienza en el estanque de agua de alimentación y
termina en la línea de salida de vapor del sobrecalentador.
La función principal de este sistema es mantener refrigerados los tubos del hogar
para protegerlos de las altas temperaturas.
Producto de esta refrigeración se genera gran cantidad de vapor saturado, el cual
es sobrecalentado para obtener vapor de alta presión.
La circulación del vapor se produce por la diferencia de densidad entre el agua de
alimentación y la mezcla líquido-vapor.
Fig. 1.7.1. Circuito de agua y vapor.
27
El agua de alimentación ingresa a los economizadores N° 1 y 2 (fig. 1.7.1),
aumentando su temperatura por el calor entregado por los gases de combustión.
Fig. 1.7.2. Economizadores.
El agua que sale del economizador ingresa al condensador de agua dulce,
elevando su temperatura, desde allí ingresa al domo de la Caldera (fig. 1.7.2).
El vapor que ingresa al condensador de agua dulce, se utiliza como condensado
en los atemperadores de vapor.
Desde el domo de la caldera el agua desciende por los Downcomers (tubería
matriz) alimentando los tubos de las paredes, Prebanco y Banco Generador (Fig.
1.7.3.).
28
Fig. 1.7.3. Domo, Downcomers,Tubos de paredes.
La transferencia de calor genera micro burbujas en el agua que circula por los
tubos, estas ascienden hasta el domo. Desde aquí el vapor es enviado a los
Sobrecalentadores.
El flujo de vapor en los Sobrecalentadores es:
• Primario A.
• Primario B.
• Sobrecalentador secundario.
• Sobrecalentador terciario.
29
CAPÍTULO 2.
BALANCE TÉRMICO DE UNA
CALDERA.
2.1.
Procedimientos.
Con el software realizado en Office Excel 2007 se podrán resolver las ecuaciones
lineales para el rendimiento de las calderas en el cual se empleo el método
indirecto o de pérdidas que se explica en este capítulo.
Una vez que se tienen las ecuaciones lineales, estas serán ingresadas en el
software el cual tiene que realizar los cálculos de una manera rápida. Dicho
programa debe de ser capaz a partir del ingreso de un grupo de datos de entrada,
y de proporcionar parámetros de salida que servirán para evaluar el rendimiento
de las calderas de una forma precisa.
Existen dos procedimientos para efectuar el balance térmico de una caldera, con
el fin de determinar el rendimiento de la misma. Estos son: el método directo (calor
que entra y calor que sale de la caldera), y el método indirecto o de pérdidas. El
primero, por su sencillez es el más usado, pero como emplea cantidades muy
grandes no es muy preciso.
El método indirecto o de pérdidas está recomendado por la norma ASME, porque
además de ser más preciso evalúa cada pérdida en particular, y de ésta forma, se
puede saber con más exactitud las causas que originan una mala eficiencia y la
forma de evitar dichas deficiencias.
A pesar de lo indicado en los párrafos anteriores, determinaremos la secuencia a
seguir para calcular la eficiencia de una caldera, por el método indirecto.
Como la composición química y el poder calorífico del combustible usado, es
factor determinante del rendimiento de una caldera, es necesario conocer los dos
tipos de combustibles que se usan en la caldera por lo que a continuación se
anexa una tabla con los análisis elementales de dichos combustibles. Además se
incluye un análisis elemental del combustible, así como ciertas características
físicas del mismo para su mejor aprovechamiento.
31
2.2.
Composición elemental del bagazo de caña.
El bagazo final, o simplemente el bagazo, es el material sólido, fibroso, que sale
de la abertura trasera del último de los molinos de la batería, después de la
extracción del jugo. Es el residuo de la molienda de la caña”.6
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.
El contenido en cenizas del bagazo natural puede considerarse moderado,
ubicándose entre 2 y 5 % (b.s.). Sin embargo, como consecuencia directa de la
mecanización de la cosecha, y sobre todo en época de lluvia, este parámetro
puede elevarse considerablemente, llegándose a reportar valores extremos de 12
a 15 %.
Se muestran en las tablas 2.2.1, 2.2.2 y 2.2.3 las características fundamentales
del bagazo de caña utilizado en este trabajo.7
Tabla 2.2.1. Análisis inmediato
(% base seca).
Característica
%
Tabla 2.2.2 Análisis elemental
(% base seca).
Característica
%
Carbono fijo
41.9
Carbono
42.54
Volátiles
46.36
Hidrógeno
5.17
Cenizas (815º) 11.74
Nitrógeno
0.63
Azufre
0.30
Oxígeno
39.62
32
Tabla 2.2.3. Poderes caloríficos.
Especificación (kcal/kg)
2.3.
(kJ/kg)
Superior (b.s.)
3 986
16 661.5
Inferior (b.s.)
3 715
15 528.7
Composición elemental del petróleo.
El petróleo es un líquido viscoso, de color variable amarillo (pardo claro) y negro
(pardo oscuro) y con un olor peculiar. Está formado principalmente por
hidrocarburos y contiene además compuestos nitrogenados, azufrados y
oxigenados generalmente de origen orgánico. Los hidrocarburos presentes en el
petróleo son miles, entre ellos tenemos compuestos de los tipos:
¾ Nafténicos (CnH2n).
¾ Olefinas (alquenos) (CnH2n).
¾ Parafínicos (CnH2n).
¾ Aromáticos.
El petróleo, para su uso, es refinado obteniéndose de él, entre otros los siguientes
productos.
¾ Aceite combustible pesado (fuel oil).
¾ Aceite combustible ligero (gas oil).
¾ Gasolina.
¾ Queroseno.
¾ Gas.
Se muestran en las tablas 2.3.1 y 2.3.2 las características fundamentales del
petróleo utilizado en este trabajo.
33
Tabla 2.3.1. Análisis elemental
Tabla 2.3.2 Poderes caloríficos
Característica
Especificación (kJ/kg)
%
Carbono
85.9
Hidrógeno
13.3
Nitrógeno
0.10
Azufre
0.01
Oxígeno
2.4.
Superior.
35406
0
Composición elemental de los combustibles.
Los combustibles orgánicos, en los que se incluyen, entre otros, el petróleo y el
bagazo, están constituidos por:
¾ Sustancias combustibles.
¾ Impurezas minerales no combustibles.
¾ Humedad.
La humedad, así como las impurezas minerales no combustibles, constituyen
elementos indeseables en los combustibles, pues reducen el calor específico de
combustión (por unidad de masa) y crean otros trastornos en la operación. Estos
elementos suelen llamarse lastres del combustible.
Las sustancias combustibles, que constituyen la parte útil de los combustibles se
componen de:
C - Carbono.
H - Hidrógeno.
O - Oxígeno.
N - Nitrógeno.
S - Azufre.
El carbono es el elemento principal de la parte combustible, pues es el que más
calor desprende aunque el hidrógeno de forma específica por unidad de masa
34
desprende más, se encuentra siempre en mucha menor cantidad y el azufre
desprende poco calor durante su combustión.
El oxígeno y el nitrógeno, como componentes de las sustancias combustibles,
constituyen lastres orgánicos, ya que disminuyen la cantidad de elementos
combustibles en dichas sustancias y por lo tanto disminuyen el calor liberado de
forma específica, es decir, por unidad de masa.
El azufre constituye impurezas perjudiciales contenida en el combustible, pues
provoca una intensa corrosión de las superficies de baja temperatura, dada por la
presencia en los gases de la combustión de SO2 y tal vez algo de SO3 si las
condiciones son favorables para su formación, lo que acarrea la formación de
ácido suIfúrico que ataca el metal de las superficies de transferencia de calor.
El azufre también resulta perjudicial, desde el punto de vista de la contaminación
ambiental, por sus gases sulfurosos que van a parar a la atmósfera, lo que debe
ser combatido y significa gastos adicionales, en inversiones y/o durante la
operación, por lo que existen normas que limitan la concentración de SO 2
permisible en el ambiente.
Al estudiar las características de los combustibles sólidos y líquidos y su
composición, se distingue la masa aprovechable, combustible y seca. La
composición de la masa aprovechable, combustible y seca se designa con los
índices «a», «c» y «s», respectivamente, y se expresa mediante las siguientes
igualdades.8
‫ ܥ‬௔ ൅ ‫ ܪ‬௔ ൅ ܵ ௔ ൅ ܰ ௔ ൅ ܱ௔ ൅ ‫ܣ‬௔ ൅ ܹ ௔ ൌ ͳͲͲΨ
Ec. 2.4.1
‫ ܥ‬௖ ൅ ‫ ܪ‬௖ ൅ ܵ ௖ ൅ ܰ ௖ ൅ ܱ஼ ൌ ͳͲͲΨ
Ec. 2.4.2
‫ ܥ‬௦ ൅ ‫ ܪ‬௦ ൅ ܵ ௦ ൅ ܰ ௦ ൅ ܱ ௦ ൅ ‫ܣ‬ௌ ൌ ͳͲͲΨ
Ec. 2.4.3
35
donde:
C = Es el contenido de carbono en el combustible. %.
H = Es el contenido de hidrógeno en el combustible. %
S = Es el contenido de azufre en el combustible. %.
N= Es el contenido de nitrógeno en el combustible. %.
O = Es el contenido de oxígeno en el combustible. %
A = Es el contenido de cenizas en el combustible. %
W = Es el contenido de humedad en el combustible. %
2.5.
Poder calorífico.
El poder calorífico de un combustible se obtiene de la cantidad de calor (B.T.U. o
calorías) que se desprende durante la quema total de una unidad de masa (lb. o
Kg.) del combustible. Es conocido también como valor calórico, calor específico o
calor de combustión.
Por otra parte, durante la determinación del poder calorífico existen dos
posibilidades.
1. Determinarlo obteniendo en los productos gaseosos en forma de vapor, el agua
producto de la humedad del combustible y del hidrógeno quemado. En este
caso se habrá determinado el poder calorífico de combustión inferior (PCI).
2. Determinarlo de tal forma que los vapores de agua se condensen y se enfríen
hasta una temperatura inferior al punto de rocío, de manera que ceden al calor
que tomaron para su evaporación. En este caso se habrá determinado el poder
calorífico de combustión superior (PCS).
El calor que proporciona la combustión de los carburantes sólido y líquido
ordinariamente se refiere a 1 kg y el gaseoso, a 1 m 3 (en condiciones normales)
de la masa de trabajo, seca o combustible. Este calor se determina en un aparato
llamado bomba calorimétrica que representa por sí un vaso metálico en el cual se
36
coloca la muestra de combustible (cerca de 1 g) y se inyecta oxígeno a una
presión de 3 MPa. El recipiente se coloca en un calorímetro lleno de agua a
temperatura normal mediante el cual se determina la cantidad de calor que se
desprende durante la combustión.
Los productos formados durante la quema de la muestra de combustible quedan
en la bomba calorimétrica y se enfrían junto con ésta hasta la temperatura normal.
En este caso los vapores del agua formados durante la quema del hidrógeno y la
evaporación de la humedad del combustible, se condensan. Debido a dicha
organización del proceso de quema se obtiene el poder calorífico superior de
combustión. En los dispositivos técnicos el agua habitualmente se evacúa en
forma de vapor junto con los productos de combustión. Por eso en una serie de
países, la mayoría de las veces utilizan el poder calorífico inferior de
combustión de la masa de trabajo, para cuya determinación se tiene en cuenta el
gasto de caIor para evaporar el agua que se forma durante la quema de
combustible.9
También se puede determinar mediante las siguientes ecuaciones.
ܲ‫ ܵܥ‬ൌ ܲ‫ ܫܥ‬൅ ʹʹͷ ‫ ܪ כ‬൅ ʹͷ ‫ܹ כ‬
Ec. 2.5.1
donde:
H = Es el contenido de hidrógeno en el combustible. %
W = Es el contenido de humedad en el combustible. %
PCI = Poder calorífico inferior. kJ/kg
ܲ‫ ܫܥ‬ൌ ͵͵ͺ ‫ ܥ כ‬൅ ͳͲʹͷ ‫ ܪ כ‬െ ͳͲͺǤͷ ‫ כ‬ሺܱ െ ܵሻ െ ʹͷ ‫ܹ כ‬
donde:
C = Es el contenido de carbono en el combustible. %.
H = Es el contenido de hidrógeno en el combustible. %
O = Es el contenido de oxígeno en el combustible. %
S = Es el contenido de azufre en el combustible. %.
W = Es el contenido de humedad en el combustible. %
37
Ec. 2.5.2
El calorímetro permite determinar el calor de combustión con mayor precisión que
ésta y otras fórmulas análogas, se usa con fines de ilustración y, a veces, para
comprobar la precisión del análisis elemental.
La calidad energética que diferencia a los distintos combustibles, incluso para su
valorización comercial, es su poder calorífico. Cada tipo de combustible tiene una
distinta composición molecular, y su reacción con el oxígeno libera distintos
niveles de energía térmica, provocando esta cualidad que los distingue.
En la figura 2.5.1 se muestra la bomba Calorimétrica a volumen constante. El
calorímetro se llena con oxígeno gaseoso antes de colocarse en la cubeta. La
muestra se enciende eléctricamente y el calor producido por la reacción se
determina con exactitud midiendo el aumento de temperatura en una cantidad
conocida del agua que lo rodea.
Volumen constante se refiere al volumen del recipiente, que no cambia durante la
reacción. Observe que el recipiente permanece intacto después de las
mediciones. El término “bomba calorimétrica” denota la naturaleza explosiva de la
reacción (en pequeña escala) en presencia de exceso de oxígeno gaseoso.
Fig. 2.5.1 Bomba calorimétrica.
38
2.6.
Proceso de combustión.
Se conoce de los estudios precedentes que muchas reacciones químicas son
exotérmicas, es decir, desprenden calor durante su proceso, y muy especialmente
lo son las reacciones de combustión. Para que se produzca una reacción de
combustión es preciso poner en contacto un combustible y un comburente y crear
determinadas condiciones para favorecer el inicio del proceso. La reacción de
combustión no es más que la oxidación rápida del combustible y la reducción del
comburente.
Es muy importante entender el proceso de combustión para lograr una operación
eficiente y segura en una planta. Un proceso de combustión perfecto implica una
mezcla apropiada de aire y combustible en proporciones exactas para que este se
consuma completamente. Esto se llama punto estequiométrico o relación ideal
para combustión. Cualquier cantidad de aire por encima de ésta se identifica como
exceso de aire y consecuentemente como un desperdicio.10
En el generador de vapor, la fuente del calor lo que es generalmente una reacción
de combustión entre una sustancia combustible y el aire portador del oxígeno que
es el comburente. Esta reacción ocurre en el horno y de la efectividad con que se
realice depende en gran medida la eficiencia de la caldera.
Con vistas a garantizar una buena reacción de combustión, deben tenerse muy
presente los aspectos siguientes:
¾ Preparación del combustible en cuanto a estado físico: granulometría
(sólidos) y atomización (Líquidos).
¾ Características del horno y los quemadores que aseguren una buena
mezcla del combustible y el aire, así como, una temperatura y un tiempo de
retención de las partículas para favorecer la combustión.
¾ Relación entre la cantidad de combustible y de aire para que exista el
oxígeno necesario sin que este sea demasiado o en defecto mínimo.
39
Ahora bien, el comburente en los generadores de vapor es siempre el aire y se
sabe que este no es una sustancia pura, sino una mezcla de gases cuya
composición volumétrica en base seca es:
Gas.
% en volumen.
Nitrógeno.
78.09
Oxígeno
20.95
Argón.
0.9325
Helio.
0.0005
Criptón.
0.0001
Xenón
0.000009
Neón.
0.0018
Dióxido de carbono. 0.03
Hidrógeno.
0.0005
El contenido de agua -0,40% en capas altas de la atmósfera, normalmente 1% a
4% en la superficie.
Con fines de cálculo de ingeniería la composición del aire puede tomarse como
sigue:
79
% de nitrógeno.
21
% de oxígeno.
100 %
El oxígeno en los cálculos de las combinaciones con los diferentes combustibles
se considera separado de su unión mecánica con el nitrógeno.
El nitrógeno no interviene en la combustión constituyendo una pérdida directa de
calor por absorberlo a su paso a través del horno, en relación directa a su calor
específico y a la temperatura de los gases a la salida de la caldera. Además
no obstante es un elemento inerte es necesario considerar su volumen en el
diseño de horno y de los tiros de la caldera, si fuera práctico suministrar oxígeno
sólo al combustible, no sería requerido.
40
Para la producción práctica de calor en la combustión, es esencial que los
elementos del combustible tengan gran afinidad con el oxígeno. El carbono y el
hidrógeno que son los elementos más importantes que se encuentran en los
combustibles comunes, alcanzan este requisito. Esto ocurre ya sea en estado libre
o combinado en todos los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. La
combinación del oxígeno con el combustible, como ya se dijo, se efectúa de
acuerdo con la ecuación estequiométrica. Las reacciones que producen son
simples y se pueden calcular de acuerdo con los pesos atómicos de cada
elemento que interviene en la reacción, o aún mejor de acuerdo con los pesos
moleculares de cada compuesto.
Si consideramos que la combustión es completa y que se suministra la cantidad
de aire requerida, las reacciones y combinaciones resultantes se efectúan de
acuerdo con las reacciones químicas siguientes:
Tabla 2.6.1 Reacciones del carbono.
Monóxido de Carbono.
2C + O2------------- 2CO
Dióxido de Carbono.
C + O2--------------- CO2
Dióxido de Carbono.
2CO + O2----------- 2CO2
En la tabla 2.6.1 se observa que el carbono puede combinarse con el oxígeno
formando dos compuestos, el monóxido y el dióxido de carbono, al quemarse a
monóxido de carbono aún no se ha combinado con todo el oxígeno del que es
capaz de reaccionar y por lo tanto no está totalmente oxidado.
Al quemarse el bióxido, el carbono se ha combinado con todo el oxígeno posible y
la oxidación es completa. El monóxido de carbono puede unirse además con una
cantidad adicional de oxígeno para formar CO 2 y de este modo el carbono de la
combinación original queda totalmente oxidado.
41
2.7.
Temperatura de combustión.
La velocidad de combustión, como ya se ha asentado, depende de la afinidad del
combustible para el oxígeno y de las condiciones bajo las que tiene lugar la
combustión. La principal de estas condiciones es la temperatura.
Con el simple hecho de llevar oxígeno a la presencia de un combustible, no se
origina la combustión. Cada combustible tiene una temperatura llamada de
ignición a la que se debe llegar antes de que reaccione químicamente con el
oxígeno y debajo de la cual ésta combinación no se produce. Sin oxígeno y sin
haber llegado a la temperatura de ignición no se produce la combustión.
Una vez iniciada la combustión el calor desarrollado en la oxidación del
combustible mantiene la temperatura necesaria para continuar la ignición.
2.8.
Cálculo del volumen teórico de aire.
El volumen teórico de aire seco (m3/kg) (con el coeficiente de exceso del aire en el
hogar α=1) que se necesita para quemar completamente 1 kg de combustible
sólido o líquido, se determina según la fórmula.
ܸ௢ ൌ ͲǤͲͺͺͻ‫ ܥ‬൅ ͲǤʹ͸͸‫ ܪ‬൅ ͲǤͲ͵͵ሺܵ െ ܱሻ
Ec. 2.8.1
donde:
V0 = Volumen teórico de aire. m3/kg.
Los metros cúbicos de aire están dados para condiciones normales: presión
101.325kPa y temperatura de 0°C.
C = Es el contenido de carbono en el combustible. %.
H = Es el contenido de hidrógeno en el combustible. %.
S = Es el contenido de azufre en el combustible. %.
O = Es el contenido de oxígeno en el combustible. %.
42
2.9.
Cálculo del volumen real de aire.
El volumen real de aire seco (m3/kg) que entra en el hogar, se determina según la
fórmula.
ܸ௥ ൌ ߙ ‫ܸ כ‬௢
Ec. 2.9.1
donde:
ߙ ൌ ‫݁ݎ݅ܽ݁݀݋ݏ݁ܿݔ݁݁݀݁ݐ݂݊݁݅ܿ݅݁݋ܥ‬Ǥ
V0 = Volumen teórico de aire. m3/kg.
2.10. Determinación de los volúmenes teóricos de los productos
de la combustión.
La determinación del volumen de los gases producto de la combustión es
fundamental en el cálculo del generador de vapor, pues son estos los que
transfieren el calor al vapor, al agua y al aire, a través de las paredes metálicas de
los tubos.
En general los productos de la combustión de los combustibles orgánicos (fósiles y
vegetales) están compuestos por los siguientes gases:
¾ Nitrógeno (N2) proveniente de la composición elemental del combustible y del
aire.
¾ Dióxidos (CO2 y SO2) proveniente de la oxidación del C y S del combustible.
Vapor de agua (H20) proveniente de la oxidación del H2 del combustible, de la
evaporación de la humedad del combustible y del vapor de agua que entra con
el aire.
¾ Oxígeno (02) proveniente del aire que se suministra en exceso. El oxígeno
proveniente del combustible se considera en el balance de la reacción y por
ende se tiene en cuenta para calcular el aire teórico, por lo tanto se asume
que no queda como oxígeno libre.
¾ Gases producidos por los elementos minerales no combustibles y NOx, H2 y
H2S todos importantes en cuanto a la contaminación, pero de volúmenes
despreciables.
43
El volumen total de los productos de combustión.
ܸ௚ ൌ ܸ௚௦ ൅ ܸுమ ை
Ec. 2.10.1
donde:
ܸ௚௦ ൌ ܸ‫݋ܿ݁ݏ݊×݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀ݏ݁ݏ݁݃݁݀݊݁݉ݑ݈݋‬Ǥ
݉ଷ
݇݃
ܸுమ ை ൌ ܸ‫݊×݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀ݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݊݁ܽݑ݃ܽ݁݀ݎ݋݌ܽݒ݁݀݊݁݉ݑ݈݋‬Ǥ
݉ଷ
݇݃
Siendo que
ܸ௚௦ ൌ ͲǤͲͳͺ͹ ‫ כ‬ሺ‫ ܥ‬൅ ͲǤ͵͹ͷ ‫ܵ כ‬ሻ ൅ ͲǤ͹ͻ ‫ܸ כ‬௥ ൅ ͲǤͺ ‫כ‬
ܰ
൅ ሺߙ െ ͳሻ ‫ܸ כ‬଴
ͳͲͲ
Ec. 2.10.2
donde:
C = Es el contenido de carbono en el combustible. %.
S = Es el contenido de azufre en el combustible. %.
Vr = Volumen real de aire. m3/kg.
N= Es el contenido de nitrógeno en el combustible. %.
ߙ ൌ ‫݁ݎ݅ܽ݁݀݋ݏ݁ܿݔ݁݁݀݁ݐ݂݊݁݅ܿ݅݁݋ܥ‬Ǥ
V0 = Volumen teórico de aire. m3/kg.
El volumen de los vapores del agua se determina.
ܸுమ ை ൌ ͲǤͲͳʹͶሺͻ‫ ܪ‬൅ ܹሻ ൅ ͲǤͳ͸ͳ ‫ܸ כ ߙ כ‬଴
donde:
H = Es el contenido de hidrógeno en el combustible. %
W = Es el contenido de humedad en el combustible. %
ߙ ൌ ‫݁ݎ݅ܽ݁݀݋ݏ݁ܿݔ݁݁݀݁ݐ݂݊݁݅ܿ݅݁݋ܥ‬Ǥ
V0 = Volumen teórico de aire. m3/kg.
44
Ec. 2.10.3
El volumen de los gases biatómicos. ܸேమ ൌ ͲǤ͹ͻ ‫ ߙ כ‬൅ ͲǤͺ ‫כ‬
ܰ
ͳͲͲ
Ec. 2.10.4
donde:
ߙ ൌ ‫݁ݎ݅ܽ݁݀݋ݏ݁ܿݔ݁݁݀݁ݐ݂݊݁݅ܿ݅݁݋ܥ‬Ǥ
N= Es el contenido de nitrógeno en el combustible. %.
El volumen de los gases triatómicos.
ܸோைమ ൌ ͲǤͲͳͺ͹ሺ‫ ܥ‬൅ ͲǤ͵͹ͷ ‫ܵ כ‬ሻ
Ec. 2.10.5
donde:
C = Es el contenido de carbono en el combustible. %.
S = Es el contenido de azufre en el combustible. %.
El volumen de vapor de agua en los gases de combustión.
ܸுమ ை ൌ ͲǤͲͳʹͶሺͻ‫ ܪ‬൅ ܹሻ ൅ ͲǤͲͳ͸ͳ ‫ܸ כ ߙ כ‬଴
Ec. 2.10.6
donde:
H = Es el contenido de hidrógeno en el combustible. %
W = Es el contenido de humedad en el combustible. %
ߙ ൌ ‫݁ݎ݅ܽ݁݀݋ݏ݁ܿݔ݁݁݀݁ݐ݂݊݁݅ܿ݅݁݋ܥ‬Ǥ
V0 = Volumen teórico de aire. m3/kg.
El Volumen de oxígeno en los gases de combustión.
ܸைమ ൌ ͲǤʹͳሺߙ െ ͳሻܸ଴
Ec. 2.10.7
donde:
ߙ ൌ ‫݁ݎ݅ܽ݁݀݋ݏ݁ܿݔ݁݁݀݁ݐ݂݊݁݅ܿ݅݁݋ܥ‬Ǥ
V0 = Volumen teórico de aire. m3/kg.
El volumen de bióxido de carbono en los gases de combustión.
ܸ஼ைమ ൌ ͲǤͲͳͺ͹ ‫ܥ כ‬
donde:
C = Es el contenido de carbono en el combustible. %.
45
Ec. 2.10.8
El volumen de bióxido de azufre en los gases de combustión.
ܸௌைమ ൌ ͲǤͲͳͺ͹ ‫Ͳ כ‬ǤͲ͵͹ͷ ‫ܵ כ‬
Ec. 2.10.9
donde:
S = Es el contenido de azufre en el combustible. %
Una importancia aún mayor tiene la determinación de la composición de los gases
en proceso de la utilización de un analizador de gases, puesto que esto da una
idea acerca del régimen de trabajo del hogar o de la cámara de combustión. En
particular, la presencia de notables cantidades de productos de combustión
incompleta (CO, H2 CH4) revela la mala organización del proceso de combustión,
mientras que la alta concentración de oxígeno significa que hay un exceso muy
alto de aire.
2.11. Coeficiente de exceso de aire.
Puesto que es difícil mezclar uniformemente el aire con el combustible, resulta
necesario suministrar al hogar más aire del que es necesario teóricamente. La
relación entre la cantidad de aire Vr realmente suministrado al hogar por unidad de
masa del combustible y la cantidad teóricamente necesaria Vo se llama coeficiente
de exceso de aire, se determina según la fórmula.
ߙൌ
ʹͳ
ʹͳ െ ͹ͻ ‫ כ‬ሺ
ܱଶ
ሻ
ܰଶ
ൌ
ܸ௥
ܸை
Ec. 2.11.1
En caso de una organización normal del proceso de combustión α > 1, además
cuanto más perfecto sea el hogar y mejores los quemadores, tanto menor cantidad
de aire excesivo será necesario suministrar. En las mejores cámaras de
combustión α constituye 1,05 -1,1 y en las malas, de hasta 1,3 - 1,5.
El coeficiente de exceso de aire con que trabaje el horno de una caldera es
decisivo para su eficiencia y el mismo está esencialmente en función del tipo de
combustible y de las características del horno y los quemadores.
46
2.12. Peso molecular de los gases de combustión.
‫ܯ‬௚ ൌ
ܸோைమ ‫ܯ‬ோைమ ൅ ܸுమ ை ‫ܯ‬ுమ ை ൅ ܸேమ ‫ܯ‬ேమ ൅ ܸைమ ‫ܯ‬ைమ
ܸ௚
Ec. 2.12.1
donde:
ܸோைమ ൌ ܸ‫ݏ݋ܿ݅݉݋ݐܽ݅ݎݐݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݁݀݊݁݉ݑ݈݋‬Ǥ ݉ଷ Ȁ݇݃
‫ܯ‬ோைమ ൌ ܲ݁‫ݏ݋ܿ݅݉݋ݐܽ݅ݎݐݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݁݀ݎ݈ܽݑ݈ܿ݁݋݉݋ݏ‬
ܸுమ ை ൌ ܸ‫݊×݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀ݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݊݁ܽݑ݃ܽ݁݀ݎ݋݌ܽݒ݁݀݊݁݉ݑ݈݋‬Ǥ ݉ଷ Ȁ݇݃
‫ܯ‬ுమ ை ൌ ܲ݁‫ܽݑ݈݃ܽ݁݀ݎ݈ܽݑ݈ܿ݁݋݉݋ݏ‬Ǥ
ܸேమ ൌ ܸ‫݊×݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀ݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݊݁݋݊݁݃×ݎݐ݅݊݁݀݊݁݉ݑ݈݋‬Ǥ ݉ଷ Ȁ݇݃
‫ܯ‬ேమ ൌ ܲ݁‫݋݊݁݃×ݎݐ݈݅݊݁݀ݎ݈ܽݑ݈ܿ݁݋݉݋ݏ‬Ǥ
ܸைమ ൌ ܸ‫ݔ݋݁݀݊݁݉ݑ݈݋‬À݃݁݊‫݊×݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀ݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݊݁݋‬Ǥ ݉ଷ Ȁ݇݃
‫ܯ‬ைమ ൌ ܲ݁‫ݔ݋݈݁݀ݎ݈ܽݑ݈ܿ݁݋݉݋ݏ‬À݃݁݊‫݋‬Ǥ
ܸ௚ ൌ ܸ‫݊×݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀ݏ݋ݐܿݑ݀݋ݎ݌ݏ݋݈݈݁݀ܽݐ݋ݐ݊݁݉ݑ݈݋‬Ǥ ݉ଷ Ȁ݇݃
La masa de una molécula es la suma de las masas de los elementos que la
forman. Así, la masa molar molecular es la masa de un mol de moléculas y
corresponde a la masa de un número de avogadro de moléculas expresado en
gramos.
El valor numérico de la masa atómica y de la masa molar es igual.
Enseguida se muestra la forma de hacer este cálculo.
Elementos. Masa molar. X Moles de átomos Total.
C
12.01
X
1
12.01 g
O
15.99
X
2
31.98 g
Masa molar del CO2
43.99 g
47
A continuación se muestra
una tabla de la masa molecular de algunos
compuestos.
Compuesto o
Masa
elemento.
molecular
CO2
44
H2O
18
N2
28
O2
32
2.13. Cálculo de las fracciones.
݂ோைమ ൌ
ܸோைమ
ܸ௚
Ec. 2.13.1
݂ுమ ை ൌ
ܸுమ ை
ܸ௚
Ec. 2.13.2
݂ேమ ൌ
ܸேమ
ܸ௚
Ec. 2.13.3
݂ைమ ൌ
ܸைమ
ܸ௚
Ec. 2.13.4
2.14. Densidad de los gases de combustión.
ߩ௚ ൌ
ܲ௔௧௠ ‫ܯ‬௚
ܴ௨ ܶ௚
Ec. 2.14.1
donde:
௞௚
ߩ = Densidad de los gases de combustión; ௠య
ܲ = Presión atmosférica; 101325 kPa
௞௚
‫ = ܯ‬Peso molecular del combustible ௞௠௢௟
௃
ܴ௨ = Constante universal de los gases; 8314௞௠௢௟ି௄
ܶ௚ = Temperatura de los gases de combustión. K
48
2.15. El calor específico de los gases de combustión.
‫ ̴݃݌ܥ‬ൌ ݂ோைమ ‫ܥ‬௣ ஼ை ൅ ݂ுమ ை ‫ܥ‬௣ ு
మை
మ
൅ ݂ேమ ‫ܥ‬௣ ே ൅ ݂ைమ ‫ܥ‬௣ ை
మ
మ
Ec. 2.15.1
El calor específico de cada compuesto.
Para los gases reales, la capacidad calorífica a presión constante en función de la
presión y de la temperatura. Sin embargo, en muchos casos es posible despreciar
la dependencia de la presión, quedando en función de la temperatura únicamente.
El cálculo del calor específico se determina por el método algebraico según la
fórmula.
Cp = a + b*T + c*T2+ d*T3
Ec. 2.15.2
Los valores de las constantes a, b, c y d se encuentran en la Tabla 1 11 que da
valores puntuales medidos experimentalmente, para la capacidad calorífica a
presión baja y constante de varios gases, a diferentes temperaturas.
La capacidad calorífica se encuentra en unidades molares consistentes y la
temperatura en K, luego basta multiplicar las constantes a, b, c y d por el factor
4.186 kJoule/Kcal con esto estaríamos encontrando la ecuación del “cp” de cada
elemento en unidades kJoule/(kgmol Kº).
2.16. El calor específico molar de los gases de combustión.
‫ ݃݌ܥ‬ൌ
‫̴݃݌ܥ‬
‫݃ܯ‬
donde:
Cp_g = Calor especifico de los gases de combustión. J/mol-K
Mg = Peso molecular de los gases de combustión. kg/kmol
49
Ec. 2.16.1
2.17. Determinación de las pérdidas de un generador de vapor.
La prueba termotécnica, que consiste en un balance térmico, se le efectúa al
generador de vapor con el objetivo de determinar la eficiencia con que está
operando y poder adoptar las medidas pertinentes para mejorarla. Un aspecto
muy importante de la prueba termotécnica es la determinación de las pérdidas de
calor, mediante la medición directa de diferentes parámetros de operación.
A continuación se expone el método indirecto.
El rendimiento energético de la caldera vendrá definido por la expresión
matemática siguiente:
ߟ௖௔௟ௗ௘௥௔ ൌ ͳͲͲ െ ܳଶ െ ܳଷ െ ܳସ െ ܳହ െ ܳ଺
Ec. 2.17.1
donde:
Q2= Cálculo de pérdida por los gases de combustión.%
Q3= Cálculo de pérdida por incombustión química.%
Q4= Cálculo de pérdidas por combustión mecánicamente incompleta.%
Q5= Cálculo de pérdida por radiación y conducción.%
Q6= Cálculo de pérdida por cenizas.%
2.17.1. Cálculo de pérdida por los gases de combustión.
Los gases al salir de la caldera tienen una alta temperatura, por lo que arrastran
consigo una determinada cantidad de calor sensible hacia la atmósfera,
constituyendo esto una pérdida para el generador de vapor, pues ese calor
procede del calor disponible y no ha podido ser convertido en calor útil.
La pérdida por calor en los gases de escape es la mayor de todas las pérdidas
que ocurren en el generador, por lo que es un objetivo central del trabajo, tanto en
50
el diseño de nuevos equipos como en la explotación de los existentes, mantenerla
en el mínimo posible. Sus valores normales están entre 5 % y 30 %.
Estás pérdidas dependen fundamentalmente de los siguientes factores:
x
La temperatura de los humos, o mejor dicho, la diferencia de temperatura
entre la de los humos y la del aire comburente.
x
El calor específico de los humos.
x
El exceso de aire empleado en la combustión, que se manifiesta en el
porcentaje de CO2 en los humos y afecta al caudal másico o volumétrico de
los mismos.
El cálculo de estas pérdidas se determina según la fórmula.
‫ݍ‬ଶ ൌ
ܸ௚ ‫ܥ כ‬௣ ௚ ‫ߩ כ‬௚ ‫ כ‬ሺܶ௚௔௦௘௦ െ ܶ௔௠௕ ሻ
ܸ‫ܫܥ‬
Ec. 2.17.1.1
‫ͲͲͳݔ‬
donde:
݉ଷ
ܸ௚ ൌ ‫݁݌ܽܿݏ݁݁݀ݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݁݀݊݁݉ݑ݈݋ݒ݈݁ݏܧ‬Ǥ
݇݃
‫ܥ‬௣ ൌ ‫ݎ݋݈ܽܿ݀ܽ݀݅ܿܽ݌ܽܿܽܮ‬í݂݅ܿܽ‫݉ݑ݈݋ݒ‬é‫݅ݏ݁ݎ݌ܽݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݁݀ܽ݅݀݁݉ܽܿ݅ݎݐ‬ó݊ܿ‫݁ݐ‬Ǥ
௚
݇‫ܬ‬
‫ܭכ‬
݉ଷ
௞௚
ߩ௚ ൌ ‫݊×݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀ݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݁݀݀ܽ݀݅ݏ݊݁ܦ‬Ǥ ௠య .
ܶ௚௔௦௘௦ ൌ ܶ݁݉‫݁݌ܽܿݏ݁݁݀ݏ݁ݏܽ݃ݏ݋݈݁݀ܽݎݑݐܽݎ݁݌‬Ǥ ‫ܭ‬
ܶ௔௠௕ ൌ ܶ݁݉‫݁ݐܾ݊݁݅݉ܽ݋݈݅݀݁݉݁݀ܽݎݑݐܽݎ݁݌‬Ǥ ‫ܭ‬
ܸ‫ ܫܥ‬ൌ ܲ‫ݎ݋݈ܽܿݎ݁݀݋‬À݂݅ܿ‫ݎ݋݅ݎ݂݁݊݅݋‬Ǥ
݇‫ܬ‬
݇݃
2.17.2. Cálculo de pérdida por incombustión química.
La pérdida por incombustión química tiene su origen en el hecho de que no todo el
carbono y demás sustancias combustibles, encuentran la cantidad suficiente de
oxígeno como para sufrir una oxidación total, lo cual trae como consecuencia que
en la reacción, cierta cantidad de combustible solo llegue a productos intermedios,
dejándose de desprender una determinada cantidad de calor.
51
Estas pérdidas son debidas fundamentalmente a la presencia de monóxido de
carbono CO, H2, CH4,CnHn en los gases y en la práctica, si la combustión es
correcta, son muy pequeñas.
El contenido de CO en los gases de combustión se mantiene en un nivel bajo
constante en valores altos de exceso de aire y se incrementa abruptamente
cuando la combustión se efectúa en niveles de exceso de aire inferiores al óptimo.
El cálculo de estas pérdidas se determina según la fórmula.
‫ݍ‬ଷ ൌ
ʹ͵͹ሺ‫ ܥ‬൅ ͲǤ͵͹ͷ ‫ܵ כ‬ሻ‫ܱܥ‬
‫ͲͲͳݔ‬
ሺܴܱଶ ൅ ‫ܱܥ‬ሻܸ‫ܫܥ‬
Ec. 2.17.2.1
donde:
C, S = Es el contenido de carbono y azufre en el combustible. %.
CO = Es el contenido de monóxido carbónico en los gases de escape.%
RO2 = Es el contenido de CO2 y SO2 en los gases de escape. %
ܸ‫ ܫܥ‬ൌ ܲ‫ݎ݋݈ܽܿݎ݁݀݋‬À݂݅ܿ‫ݎ݋݅ݎ݂݁݊݅݋‬Ǥ
݇‫ܬ‬
݇݃
Durante la operación esta pérdida excede los valores de sus rangos normales, el
origen de esta irregularidad puede estar en los siguientes factores:
¾ Coeficiente de exceso de aire en el horno inferior al necesario, lo que no
garantiza el suficiente suministro de oxígeno como para provocar la oxidación
máxima posible.
¾ Mezcla inadecuada del aire y el combustible, lo que no propicia un correcto
contacto del comburente y el combustible, esto puede deberse a un mal
diseño o selección de los quemadores y sus equipos auxiliares, a una mala
operación de los mismos y a deficiencias en la aerodinámica del horno.
¾ Dimensiones muy pequeñas del horno que no dan el tiempo suficiente para
que concluyan las reacciones de combustión.
¾ Temperatura muy baja en el horno que disminuye las veIocidades de las
reacciones de combustión.
52
2.17.3. Cálculo de pérdidas por combustión mecánicamente
incompleta.
La pérdida por incombustión mecánica tiene su origen en el hecho que, en
ocasiones en una combustión real, una pequeña parte de las sustancias
combustibles, ejemplificando puede plantearse el bagazo de caña, no encuentra
oxígeno y no se quema. Este combustible no quemado puede tomar dos caminos,
irse por el extractor de gases constituyendo parte de los residuos volátiles o
quedarse en la parriIla del horno y en los ceniceros, para formar parte de los
residuos que deberán ser extraídos mediante limpiezas.
Estas pérdidas son debidas fundamentalmente a la presencia de partículas de
carbono y hollín en los gases.
‫ݍ‬ସ ൌ
͵ʹ͹ ‫ܣ כ‬
‫ܥ‬௥௘௦
‫ܥ‬௔௥௥
൤ܽ௥௘௦
൅ ܽ௔௥௥
൨ ‫ͲͲͳݔ‬
ܸ‫ܫܥ‬
ͳͲͲ െ ‫ܥ‬௥௘௦
ͳͲͲ െ ‫ܥ‬௔௥௥
Ec. 2.17.3.1
donde:
A = Es el contenido de cenizas en el combustible. %
ܸ‫ ܫܥ‬ൌ ܲ‫ݎ݋݈ܽܿݎ݁݀݋‬À݂݅ܿ‫ݎ݋݅ݎ݂݁݊݅݋‬Ǥ
݇‫ܬ‬
݇݃
ares, aarr = Las 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 con el combustible.%
Cres, Car = El contenido de elementos combustibles en la escoria, caídos a través
de la parrilla y arrastrados por los gases de escape. %
La magnitud de esta pérdida depende muy directamente del tipo de combustible,
de la aerodinámica del horno y de su temperatura, así como, de la calidad del
trabajo de los quemadores.
53
2.17.4. Cálculo de pérdida por radiación y conducción.
Esta pérdida abarca todo el calor que por diferentes vías va a parar al medio
ambiente, ya sea por radiación, conducción o convección a través de los registros
abiertos, o a través de las paredes, el piso y el techo.
La parte fundamental del calor perdido sale por conducción a través de las
paredes, por lo que, la magnitud de esta pérdida va a depender directamente de
las características aislantes de las mismas. Dado que en la actualidad las paredes
son construcciones típicas ya estandarizadas, la magnitud de la pérdida puede
ponerse en función del área exterior del generador, la que a su vez depende de la
potencia del equipo, pues es esta, la que decide su tamaño.
Las pérdidas por convección y radiación se producen a través de la envolvente de
la caldera y dependen de los siguientes factores:
x
La temperatura media del agua en la caldera.
x
La temperatura del aire de la sala de máquinas, en cuanto que afecta a las
pérdidas por convección.
x
La temperatura de las paredes de la sala de máquinas, que afecta a las
pérdidas por radiación.
x
Las características de la caldera en lo referente al espesor y conductividad
térmica del material aislante del cuerpo y la superficie del mismo.
‫ݍ‬ହ ൌ
݄௥௔ௗା௖௢௡௩ σ ‫ܣ‬௣௔௥௘ௗ௘௦ ൫ܶത௣௔௥௘ௗ௘௦ െ ܶ௔௠௕ ൯
‫ͲͲͳݔ‬
ͳͲͲͲ‫ܤ‬௖ ܸ‫ܫܥ‬
݄௥௔ௗା௖௢௡௩ ൌ ͻǤͷ ൅ ͲǤͲͺሺܶത௣௔௥௘ௗ௘௦ െ ܶ௔௠௕ ሻ
54
Ec. 2.17.4.1
Ec. 2.17.4.2
donde:
݄௥௔ௗା௖௢௡௩ ൌ ‫݊×݅ܿܿݑ݀݊݋ܿݕ݊×݅ܿܽ݅݀ܽݎݎ݋݌ݎ݋݈ܽܿ݁݀ܽ݅ܿ݊݁ݎ݂݁ݏ݊ܽݎݐ݁݀݁ݐ݂݊݁݅ܿ݅݁݋ܥ‬
෍ ‫ܣ‬௣௔௥௘ௗ௘௦ ൌ ‫ܽݎ݈݈݁݀ܽܿܽ݁݀ݏ݁݀݁ݎܽ݌݈݁݀ܽݐ݋ݐܽ݁ݎ‬Ǥ ݉ଶ
Tparedes= Temperatura de la paredes. K
ܶ௔௠௕ ൌ ܶ݁݉‫݁ݐܾ݊݁݅݉ܽ݋݈݅݀݁݉݁݀ܽݎݑݐܽݎ݁݌‬Ǥ ‫ܭ‬
‫ܤ‬௖ ൌ ‫݈ܾ݁݅ݐݏݑܾ݉݋ܿ݁݀݋݆ݑ݈ܨ‬
݇݃
‫ݏ‬
ܸ‫ ܫܥ‬ൌ ܲ‫ݎ݋݈ܽܿݎ݁݀݋‬À݂݅ܿ‫ݎ݋݅ݎ݂݁݊݅݋‬Ǥ
݇‫ܬ‬
݇݃
2.17.5. Cálculo de pérdida por cenizas.
Esta pérdida se debe al combustible que queda sin quemar en los residuos de la
combustión (cenizas). Es una pérdida bastante considerable cuando se quema
combustibles sólidos, pero cuando el combustible usado es gas o petróleo crudo,
el calor perdido es de valores centesimales los que realmente no deben tomarse
en cuenta.
‫ ଺ݍ‬ൌ
ܽ௥௘௦ ‫ܥܣ‬௣ ௖௘௡ ሺܶത௖௘௡ െ ܶ௔௠௕ ሻ
Ec. 2.17.5.1
ܸ‫ܫܥ‬
donde:
A = Es el contenido de cenizas en el combustible. %
ares = Las porciones de cenizas contenidas en la escoria. %
‫ܥ‬௣ ௖௘௡ ൌ ‫ݎ݋݈ܽܿ݀ܽ݀݅ܿܽ݌ܽܿܽܮ‬À݂݈݅ܿܽ݀݁ܽ݁‫ܽ݅ݎ݋ܿݏ‬Ǥ
݇‫ܬ‬
݇݃ ‫ܭ כ‬
Tcen= Temperatura de la escoria. K
ܶ௔௠௕ ൌ ܶ݁݉‫݁ݐܾ݊݁݅݉ܽ݋݈݅݀݁݉݁݀ܽݎݑݐܽݎ݁݌‬Ǥ ‫ܭ‬
ܸ‫ ܫܥ‬ൌ ܲ‫ݎ݋݈ܽܿݎ݁݀݋‬À݂݅ܿ‫ݎ݋݅ݎ݂݁݊݅݋‬Ǥ
݇‫ܬ‬
݇݃
Es bueno aclarar que la pérdida por calor sensible en los residuos sólo se calcula
para combustibles sólidos, ya que los líquidos y los gases no proporcionan
residuos.
55
CAPÍTULO 3.
DIAGNÓSTICO Y RESULTADOS.
3.1. Muestra de cálculo.
A partir de los siguientes datos supuestos se determinará la funcionalidad del
software al proporcionar el redimiento de la caldera.
Composición tipica
del combustible.
Elemento
%
C
24.5
H
2.95
O
21.68
N
0
S
0
A
0.88
W
50
Gases de combustión
Elemento.
%
Oxígeno.
O2
3.54
Monóxido de carbono. CO .0001838
Gases triatómicos
RO2
10.54
Nitrógeno.
N
85.91
Poder calorífico.
kJ/kg
Superior. 9616.22
Inferior.
7702.47
Datos de la caldera.
Flujo de combustible.
Bc
Presión atmosférica.
P
Constante universal de los gases. R
12.37 kg/s
101.325 k-Pa
8.314 kJ/kmol-K
Temperatura de referencia.
T
273.16 K
Temperatura de los gases.
Tg
503.16 K
Temperatura ambiente.
Tamb
303.16 K
57
A continuación se muestra
una tabla de la masa molecular de algunos
compuestos que se utilizan en el cálculo.
Compuesto o
Masa
elemento.
Molecular
CO2
44
H2O
18
N2
28
O2
32
Aire
28.97
Característica del horno y cenizas.
Fracción de cenizas en el horno.
a_res
0.897
Contenido de carbono en cenizas del horno.
C_res
5.96 %
Fracción de cenizas volantes.
a_arr
0.103
Contenido de carbono en cenizas volantes.
C_arr
57.52 %
Temperatura promedio de paredes.
T_parede 317.46 K
Área total de paredes de la caldera.
A_parede
76.3 m2
Temperatura de las cenizas.
T_ceniza 923.16 K
Calor especifico a P=cte de las cenizas.
Cp_ceniz
2.5 J/kg·K
Los datos anteriores mencionados fueron introducidos en el software bagazo de
caña y combustoleo para obtener el resultado correspondiente a la eficiencia de la
caldera.
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Combustible bagazo de caña.12
Eficiencia de la caldera.
Perdida por los gases a la salida.
Perdida por incombustion química.
Perdidas por combustión mecánicamente
incompleta.
Perdida por radiación y convección.
Perdidas por cenizas o escoria.
Poder calorífico inferior.
Poder calorífico superior.
El coeficiente de exceso de aire.
Volumen teórico de aire.
58
ncald
q2
q3
85.70 %
12.88 %
0.001314 %
q4
q5
q6
VCI
VCS
α
V
0.733427
0.528471
0.158846
7702.47
9616.22
1.1834
2.2498
%
%
%
kJ/kg
kJ/kg
m3/kg
Volumen real de aire.
Volumen total de los productos de combustión.
Volumen de los gases secos.
Volumen de vapor de agua en los gases de
combustión
Volumen de nitrógeno en los gases de combustión.
Volumen de los gases triatómicos.
Volumen de los gases biatómicos.
Volumen de oxigeno en los gases de combustión.
Volumen de bióxido de carbono en los gases de
combustión
Volumen de bióxido de azufre en los gases de
combustión
Coeficiente individual de transferencia de calor por
radiación
Densidad de los gases de combustión.
Peso molecular de los gases de combustión.
Calor especifico de los gases de combustión.
Calor especifico de los gases de combustión.
Calor especifico a P=cte del dióxido de carbono.
Calor especifico a P=cte del oxígeno.
Calor especifico a P=cte del vapor de agua.
Calor especifico a P=cte del nitrógeno.
Fracción de los gases triatómicos.
Fracción de nitrógeno en los gases de combustión.
Fracción de oxigeno en los gases de combustión.
Fracción de vapor de agua en los gases de
combustión
Vr
Vg
Vgs
2.6625 m3/kg
3.6403 m3/kg
2.6482 m3/kg
V_H2O
V_N2
V_RO2
V_R2
V_O2
0.9921
1.7773
0.45815
2.1900
0.0867
V_CO2
0.45815 m3/kg
V_SO2
0 m3/kg
h_rad_co
pg
Mg
Cpg
Cp_g
CP_CO2
CP_O2
CP_H2O
CP_N2
FRO2
FN2
FO2
FH2O
10.644
1.1099
24.8757
1.2275
30.53
44.43
31.48
35.41
29.78
0.1259
0.4882
0.0238
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
kg/m3
kg/kmol
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
0.2725
Resultados del combustóleo.
Eficiencia de la caldera.
Perdida por los gases a la salida.
Perdida por incombustion química.
Perdidas por combustión mecánicamente
incompleta.
Perdida por radiación y convección.
Perdidas por cenizas o escoria.
Poder calorífico inferior.
59
ncald
q2
q3
q4
q5
q6
VCI
90.81 %
9.16 %
0.02187 %
0
0.00225
0
41670.69
%
%
%
kJ/kg
Poder calorífico superior.
El coeficiente de exceso de aire.
Volumen teórico de aire.
Volumen real de aire.
Volumen total de los productos de combustión.
Volumen de los gases secos.
Volumen de vapor de agua en los gases de
combustión
Volumen de nitrógeno en los gases de combustión.
Volumen de los gases triatómicos.
Volumen de los gases biatómicos.
Volumen de oxigeno en los gases de combustión.
Volumen de bióxido de carbono en los gases de
combustión
Volumen de bióxido de azufre en los gases de
combustión
Coeficiente individual de transferencia de calor por
radiación
Densidad de los gases de combustión.
Peso molecular de los gases de combustión.
Calor especifico de los gases de combustión.
Calor especifico de los gases de combustión.
Calor especifico a P=cte del dióxido de carbono.
Calor especifico a P=cte del oxigeno.
Calor especifico a P=cte del vapor de agua.
Calor especifico a P=cte del nitrógeno.
Fracción de los gases triatómicos.
Fracción de nitrógeno en los gases de combustión.
Fracción de oxigeno en los gases de combustión.
Fracción de vapor de agua en los gases de
combustión
60
VCS
α
V
Vr
Vg
Vgs
V_H2O
V_N2
V_RO2
V_R2
V_O2
44672.44
1.5
10.9249
16.7525
34.1935
32.4349
kJ/kg
1.7586
8.6534
1.5610
30.8739
1.2238
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
V_CO2
1.5446 m3/kg
V_SO2
0.0164 m3/kg
h_rad_co
pg
Mg
Cpg
Cp_g
CP_CO2
CP_O2
CP_H2O
CP_N2
FRO2
FN2
FO2
FH2O
10.644
0.4982
11.1658
1.1207
12.51
44.43
31.48
35.41
29.78
0.0457
0.2531
0.0358
0.0514
kg/m3
kg/kmol
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
J/mol·K
3.1.
Resultados.
El sistema de ecuaciones lineales se resolverá con la ayuda del software realizado
en Microsoft Office Excel 2007. Obteniéndose los siguientes resultados:
Los resultados obtenidos del
combustóleo.
ncald
90.81 %
q2
9.16 %
q3
0.02187 %
q4
0 %
q5
0.00225 %
q6
0 %
Los resultados obtenidos del bagazo.
ncald
85.70 %
q2
12.88 %
q3
0.001314 %
q4
0.733427 %
q5
0.528471 %
q6
0.158846 %
Los resultados obtenidos de los
gases de combustión del
combustóleo.
V_H2O
1.7586 m3/kg
V_N2
8.6534 m3/kg
V_RO2
1.5610 m3/kg
V_R2
30.8739 m3/kg
V_O2
1.2238 m3/kg
V_CO2
1.5446 m3/kg
V_SO2
0.0164 m3/kg
Los resultados obtenidos de los
gases de combustión del bagazo.
V_H2O
0.9921 m3/kg
V_N2
1.7773 m3/kg
V_RO2
0.45815 m3/kg
V_R2
2.1900 m3/kg
V_O2
0.0867 m3/kg
V_CO2
0.45815 m3/kg
V_SO2
0 m3/kg
61
3.2. Comparación de los combustibles sólidos y líquidos.
Con el software realizado en Microsoft Office Excel 2007 se podrán hacer
comparaciones entre diferentes combustibles con los resultados arrojados por el
software lo que hace más sencillo el controlar la eficiencia de una caldera.
Con los datos obtenidos anteriormente se puede hacer un analisis de las calderas
que queman diferentes combustibles.
.
Los combustibles sólidos y líquidos son los más abundantes en el mundo; sobre
ellos se asienta la mayor parte de la generación de vapor, especialmente sobre el
petróleo y el carbón.
En los ingenios azucareros, los combustibles que tienen mayor importancia
económica son también los sólidos y los Ilíquidos, pues los gaseosos casi no se
usan, en este sentido puede verse que el uso se limita prácticamente al petróleo
como aceite combustible pesado (fuel oíl) y al bagazo de a caña de azúcar.
En las últimas décadas, a nivel mundial, han existido cambios alternativos en las
tendencias de uso de petróleo o carbón. Esto obedece a lo cambiante de los
precios, sobre todo del petróleo, no obstante, el nivel de utilizando de ambos es
equilibrado en estos momentos la tendencia a la utilización del petróleo se ha
debido a sus características ventajosas tales como:
a. Extracción más sencilla y económica.
b. Alto calor especifico de combustión.
c. Bajo contenido de humedad y ceniza.
d. Facilidad para la transportación, así como, para su manipulación en la planta.
e. Preparación para la combustión más simple y económica.
f. Mínimo desgaste en las superficies de transferencia de calor, por
prácticamente no tener cenizas abrasivas.
62
g. Construcción más sencilla del generador de vapor.
¾ No son necesarias instalaciones para la separación de ceniza volátil.
¾ No es necesario un sistema de extracción de residuos.
h. Automatización del proceso de combustión muy factible y sencilla.
i.
Eficiencias más altas en 2 - 3 %.
j.
Generadores de vapor más baratos (aproximadamente 30 —40 % menos en
costo inicial).
k. Condiciones de trabajo de los operarios mucho mejores, por ausencia de
partículas de polvo en el ambiente.
La comparación entre el aceite combustible pesado y el bagazo como
combustibles para la industria azucarera, puede parecer también que favorece al
petróleo desde el punto de vista técnico, pero dado que el bagazo es un
subproducto de la industria azucarera y que aún los volúmenes que se producen
no
son
absorbidos
como
materia
prima
por
otras
industrias,
resulta
económicamente más favorable utilizar el bagazo como combustible, más si se
tiene en cuenta que la inmensa mayoría del petróleo que se consume hay que
comprarlo con su variación de precio. De aquí, que la política planteada en los
ingenios azucareros sea la de no consumir petróleo en sus calderas.
La tendencia que predomina en los ingenios en un futuro, en cuanto a la utilización
de los combustibles bagazo y petróleo. Estará grandemente influida por el
desarrollo técnico de los ingenios azucareros que usen el bagazo como materia
prima, y que puedan utilizarlo de la forma más eficientemente posible.
63
3.3. Conclusiones.
Se desarrolló el software de cálculo de la eficiencia de la caldera utilizando el
bagazo de caña y combustóleo, que consiste en la resolución de un sistema de
ecuaciones para el control de la eficiencia de la caldera, ya que todos los cálculos
se realizan de manera rápida. El usuario podrá evaluar la eficiencia de la caldera
que desee, hasta llegar a la conclusión de los valores que se encuentren dentro de
las condicionales normales de operación.
Resulta evidente que con la ayuda de este software, se elimina el proceso
iterativo, así como la imprecisión en los valores obtenidos, arrojando valores
precisos.
El software se desarrolló con la ayuda de hojas de cálculo de Microsoft Office
Excel 2007, resultando ser un programa de gran confiabilidad y utilidad para fines
de aplicación práctica.
3.4. Recomendaciones.
1. Especificar qué tipo de combustible se va a utilizar en el software si es sólido
o líquido.
2. Para que el software funcione de una manera correcta, los datos que se
ingresen deben de tener cierta lógica y deben de estar dentro de rangos
racionales en las unidades que se muestran al lado de cada celda de dato de
entrada.
64
ANEXOS.
TABLA 1- Constantes a, b, c y d para la expansión polinomica de tercer
orden que da la capacidad calorífica en función de la temperatura.
COMPUESTO
A
Metano
Etano
Propano
n-Butano
Isobutano
neo-Pentano
neo-Hexano
Etileno
Propileno
1-Buteno
Isobuteno
Cis-2-Buteno
Trans-2-Buteno
Ciclopentano
Metilciclopentano
Ciclo-Hexano
Metilciclohexano
Benceno
Tolueno
Etilbenceno
Estireno
cumeno
Acetileno
Metilacetileno
Dimetilacetileno
Propanodieno
1,3-Butadieno
Isopreno
Nitrógeno
Oxígeno
Aire
Hidrógeno
Monóxido de
carbono
Dióxido de carbono
4.750
1.648
-0.966
0.945
-1.890
-3.865
1.657
0.944
0.753
-0.240
1.650
-1.778
2.340:
-12.957'
-12.114
-15.935
-15.070
-8.650
-8.213
-8.398
-5.968
-9.452
5.210
4.210
3.540
2.430
-1.290
-0.440
6,903
6.085
6.713
6.952
b x 102
c x l05
d x 109
INTERVALO ERROR
KELVIN MEDIO
273-1500
0.57
0.28
0.12
0.24
0.13
0.12
0.20
0.13
0.17
0.18
0.06
0.14
0.12
0.25
0.23
0.37
0.22
0.20
0.18
0.19
0.23
0.17
0.59
0.13
0.16
0.19
0.47
0.43
273-1800
0,34
0.28
0.33
0.26
1.200
0.3030
4.124
-1.53 0
7.279
-3.755
8.873
-4.380
9.936
-5.495
13.305
-8.018
13.190
-6.844
3.735
-1.993
5.691
-2.910
5.650
-5.110
7.702
-3.981
8.078
-4.074
17.220
-3.403
13,087
-7.447
'15.380
-8.915
16.454
-9.203
18.972 -10.989
11.578
-7.540
13.357
-8.230
15.935 -10.003
14.354
-9.150
1S.686 -11.869
2 .2008
-1.559
4.073
-2.192
5.838
-2.760
4.693
-2.781
8.350
-5.582
10.418
-6.762
-0.03753
0.193
0.3631 -0.1709
0.04697 0.1147
-0.04576 0.09563
-2 .630
1.740
7.580
8.360
11.920
18.830
13.780
4.220
5,880
12 .070
8.020
7.890
6.070
16.410
20.030
19.270
2 4.090
18.540
19,200
23.95
22.030
28.800
4.349
4.713
4.974
6,484
14.240
16.930
-0.6861
0.3133
-0.4696
-0.2079
9.726
0.04001
0,1283
-0.5307
0.3
5.316
1.4285
-0.8362
1 .784
0.22
65
Vapor de agua
7.700
Nitrógeno
5.529
Oxigeno
6,732
Hidrógeno
6.424
Aire
6.557
Monóxido de
6.480
Carbono
Vapor de Agua
6.970
Azufre, 22
6.499
Anhídrido sulfuroso 6.157
Anhídrido sulfúrico
3.918
Acido sulfhídrico
7.070
Sulfuro de carbono
7.390
Sulfuro de
6.222
carbonilo
Flúor
6.115
Cloro
6.8214
Bromo
8.051
Yodo
8.504
Fluoruro de
7.201
hidrógeno
Cloruro de
7.244
hidrógeno
Bromuro de
7.169
hidrógeno
Yoduro de
6.702
hidrógeno
Cloruro de metilo
3.050
Cloruro de metileno 4.200
Cloroformo
7.610
Tetracloruro de
12.24
carbono
Fosgeno
10.350
Tiofosgeno
10.800
Cianógeno
9 ,820
Cianuro de
6,34
hidrógeno
Cloruro de
7,97
cianógeno
Bromuro de
8.82
cianógeno
Yoduro de
9.69
cianógeno
0.04594
0.1488
0.1505
0.1039
0.1477
0.2 521 -0.8587
-0.02271
-0.01791
-0.007804
-0.02148
0.1566
-0.02387
1.01
0.3464
0.5298
1.384
3.483
0.3128
1 .489
-0.O4S33
-0.3888 0,9520
-0.9103 2.057
-2.675
7.744
0.1364 -0.7867
-1.096
2 .760
0.66
0.38
0.24
0,13
0.37
0.47
1 .536
-1.058
273-3800
273-1800
273-1300
273-1800
2.560
0.24
0.72
1 .20
0.79
0 ,70
0.49
0.5864 -0.4186 0.9797
0.57095 -0.5107 1.547
0.2462 -0.2128 0.6406
0.13135 -0.10684 0,3125
273-2000
273-1500
»
273-1800
0.45
0.23
0.15
0.06
-0.1178
0.1576
-0.376
273-2000
0.09
-0.1820
0.3170
-1.036
273-1500
0 .08
-0.1604
0.3314
-1.161
0.04546
0.1216
-0.4813
273-1900
0.39
2.596
3.419
3 .461
-1.244
2.350
-2.668
2 .300
6.068
7.344
273-1500
0.16
0.30
0.42
3 .400
-2.995
8.828
1.653
1.859
1 ,4858
-0.8408
-1.045
-0.6571
273-1000
0.46
0.71
0 .42
0.8375
-0.2611
273-1500
0.76
0.0745
-0.5265
273-1000
0.58
0.9084
-0.4367
0.54
0.7213
-0.3265
0.37
66
0.12
0.57
Acetonitrilo
5.09
Nitrilo acrílico
4.55
Oxido nítrico
6.461
Oxido nítrico
7.008
Oxido nitroso
5.758
Dióxido de
5.48
nitrógeno
Tetróxido de
7.90
nitrógeno
Formaldehido
5.447
Acetaldehído
4.19
Metanol
4.55
Etanol
4.75
Oxido de etileno
-1.12
Ceteno
4.11
Ciclopropano
-6.481
Isopentano
-2.273
o-Xileno
-3.789
m-Xileno
-6.533
p-Xileno
-5.334
Monóxido de
8.203
carbono
Acetona
1 .625
Alcohol isopropílioo 0.7936
Alcohol
-1.307
neopropílico
Alcohol alílico
0.5203
Cloroetano
2.401
1,1-dicloroetano
5.899
cis-1,2 4.336
dicloroetano
Trans-1,25.6 61
dicloroetano
Tricloroetano
9.200
Tetracloroetano
15.11
Amoníaco
6-5846
Hidracina
3 .890
Metilamina
2.9956
Dimetilamina
-0.275
Trimetilamina
-2.098
2 .7634 -0.9111
4.1039 -1.6939
0.2358 -0.07705 0.08729
-0.02244 0.2328
1 .000
1.4004 -0.55008 2.526
273-1200
273-1000
273-3800
273-1500
1.365
-0.841
4 .46
-2.71
0.9739
3.164
2.186
5.006
4.925
2.966
8.206
12.434
14.291
14.905
14.220
0.1703
-0.515
-0.291
-2.479
-2.389
-1.793
-5.577
-7.097
-8.354
-8.831
-7.984
-2.078
-3.800
-1.920
4.790
3 .149
4.22
15.61
15.86
18.80
20.05
17.03
3 .073
-2.081
5.182
0.31
6.661
8.502
-3.737
-5.016
5.307
11.56
0.10
0,18
9.235
-5.800
14.14
0.30
7.122
4.27
4.383
-4.259
-2.751
-3.182
9.948
6.797
8.516
0.14
0.22
0.40
4.691
-3.397
9.010
0.39
4.295
-3.022
7.891
0.27
4.517
3.799
0.61251
3 .554
3 .6101
6.6152
9.6187
1 .88
0.26
0.41
0.54
0.36
0.26
-3.600
10.10
-3.179
9.089
0.23663 -1.5981
-2.304
5.990
-1.6446 2 .9505
-3.4826 7.1510
-5.5488 12.432
67
0.18
273-600
0.36
273-1500
273-1000
0.62
0.17
0.08
0.22
0 .14
0.17
0.35
0.14
0.15
0.16
0.18
273-1500
273-1000
273-1500
273-1000
273-1500
0.50
0.42
0.3S
0.50
0.07
0.15
0 .1
Lista de símbolos.
ncald
q2
q3
q4
q5
q6
VCI
VCS
á
V
Vr
Vg
Vgs
V_H2O
V_N2
V_RO2
V_R2
V_O2
V_CO2
V_SO2
C
H
O
N
S
A
W
CO
RO2
O2
N2
Bc
P
R
T
Tg
Tamb
h_rad_co
pg
Eficiencia de la caldera.
Perdida por los gases a la salida.
Perdida por incombustion química.
Perdidas por combustión mecánicamente incompleta.
Perdida por radiación y convección.
Perdidas por cenizas o escoria.
Poder calorífico inferior.
Poder calorífico superior.
El coeficiente de exceso de aire.
Volumen teórico de aire.
Volumen real de aire.
Volumen total de los productos de combustión.
Volumen de los gases secos.
Volumen de vapor de agua en los gases de combustión
Volumen de nitrógeno en los gases de combustión.
Volumen de los gases triatómicos.
Volumen de los gases biatómicos.
Volumen de oxígeno en los gases de combustión.
Volumen de bióxido de carbono en los gases de combustión
Volumen de bióxido de azufre en los gases de combustión
Porcentaje de carbono en el combustible.
Porcentaje de hidrógeno en el combustible.
Porcentaje de oxígeno en el combustible.
Porcentaje de nitrógeno en el combustible.
Porcentaje de azufre en el combustible.
Porcentaje de cenizas en el combustible.
Porcentaje de humedad en el combustible.
Porcentaje de monóxido de carbono en los gases de
combustión
Porcentaje de gases triatómicos en los gases de combustión
Porcentaje de oxígeno en los gases de combustión.
Porcentaje de nitrógeno en los gases de combustión.
Flujo de combustible.
Presión atmosférica.
Constante universal de los gases.
Temperatura de referencia.
Temperatura de los gases de combustión.
Temperatura ambiente.
Coeficiente individual de transferencia de calor por radiación y
convección.
Densidad de los gases de combustión.
68
Mg
Cpg
Cp_g
CP_CO2
CP_O2
CP_H2O
CP_N2
FRO2
FN2
FO2
FH2O
M_RO2
M_N2
M_O2
M_H2O
a_res
C_res
ajar
C_arr
T_parede
A_parede
T_ceniza
Cp_ceniz
Peso molecular de los gases de combustión.
Calor especifico de los gases de combustión.
Calor especifico de los gases de combustión.
Calor especifico a P=cte del dióxido de carbono.
Calor especifico a P=cte del oxígeno.
Calor especifico a P=cte del vapor de agua.
Calor especifico a P=cte del nitrógeno.
Fracción de los gases triatómicos.
Fracción de nitrógeno en los gases de combustión.
Fracción de oxígeno en los gases de combustión.
Fracción de vapor de agua en los gases de combustión
Peso molecular de los gases triatómicos.
Peso molecular del nitrógeno.
Peso molecular del oxígeno.
Peso molecular del agua.
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 la caldera.
Temperatura de las cenizas.
Calor especifico a P=cte de las cenizas.
69
μ_RO2
μ_N2
μ_O2
μ_H2O
Tg
Tamb
Bc
P
R
T
kg/s
k-Pa
Kj/kmol-K
K
503.16 K
303.16 K
Peso molecular.
44
28
32
18
12.37
101.325
8.314
273.16
La composición de la masa aprovechable.
C
24.5 %
H
2.95 %
O
21.68 %
N
0 %
S
0 %
A
0.88 %
W
50 %
Los gases de combustión.
CO
0.0001838 %
RO2
10.54 %
O2
3.54 %
N2
85.91 %
DATOS DE ENTRADA.
Vgs
V_H2O
V_N2
V_RO2
V_R2
V_O2
V_CO2
2.6482
0.9921
1.7773
0.45815
2.1900
0.0867
0.4582
70
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
m3/kg
85.70 %
Pérdidas de calor.
12.88 %
q2
0.001314 %
q3
0.733427 %
q4
0.528471 %
q5
0.158846 %
q6
Poder calorífico.
7702.47 kJ/kg
VCI
9616.22 kJ/kg
VCS
Exceso de aire.
α
1.1834
Volumen de aire.
2.2498 m3/kg
V
2.6625 m3/kg
Vr
Vol. de los prod. de combustión.
3.6403 m3/kg
Vg
ncald
Eficiencia.
Coeficiente individual de transferencia de calor por radiación y
conducción.
10.644
h_rad_conv
Densidad de los gases.
1.1099 kg/m3
Pg
Peso molecular de los gases.
24.8757 kg/kmol
Mg
Calores específicos.
1.2275 J/mol-K
Cpg
30.53 J/mol-K
Cp_g
44.43 J/mol-K
CP_CO2
31.48 J/mol-K
CP_O2
35.41 J/mol-K
CP_H2O
29.78 J/mol-K
CP_N2
Fracción.
0.1259
FRO2
0.4882
FN2
0.0238
FO2
0.2725
FH2O
RESULTADOS.
CALCULO DE LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA.
a_res
C_res
a_arr
C_arr
T_pared
A_pared
T_cenizas
Cp_cenizas
0.897
5.96
0.103
57.52
317.46
76.3
923.16
2.5
%
K
m2
K
J/kgK
%
V_SO2
71
0 m3/kg
REFERENCIAS.
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Calderas de Vapor y de su Equipo Auxiliar.
2
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Consulta: 12 de Abril de 2011.
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12
Microsoft Office Excel 2007.
72