calefon
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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA GEOGRAFICA
ANÁLISIS COMPARATIVO, ENERGÉTICO Y AMBIENTAL, EN CALEFONES DE USO DOMESTICO QUE OPERAN CON GAS
LICUADO DE PETRÓLEO Y GAS NATURAL
ELIZABETH ANDREA MELÉNDEZ AGUILERA 2007
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA GEOGRAFICA
ANÁLISIS COMPARATIVO, ENERGÉTICO Y AMBIENTAL, EN CALEFONES DE USO DOMESTICO QUE OPERAN CON GAS
LICUADO DE PETRÓLEO Y GAS NATURAL
TRABAJO DE TITULACIÓN PRESENTADO EN CONFORMIDAD A LOS REQUISITOS PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO DE EJECUCIÓN EN AMBIENTE
Profesor Guía: Hernán Soto Nilo Co-Profesor Guía: Roberto Santander Moya
ELIZABETH ANDREA MELÉNDEZ AGUILERA 2007
Mediante este documento, se deja establecido que el Trabajo de Titulación,
presentado por la srta. ELIZABETH ANDREA MELÉNDEZ AGUILERA, alumna
de la Carrera de Ingeniería de Ejecución en Ambiente, que dicta el
Departamento de Ingeniería Geográfica, se realizó en forma conjunta con el sr.
RODRIGO HERNÁN MIRANDA MALDONADO, alumno de la Carrera de
Ingeniería de Ejecución en Mecánica, de Departamento de Ingeniería Mecánica,
ambos dependientes de la Facultad de Ingeniería, de la Universidad de
Santiago de Chile.
La versión de este trabajo se presenta bajo las normas de presentación
establecidas por el Departamento de Ingeniería Geográfica.
RESUMEN
La crisis del Gas Natural que se vive hoy en día, genera la necesidad de
buscar alternativas energéticas, una de éstas, es el uso de Gas Licuado de
Petróleo.
En el siguiente trabajo, que se realizó en conjunto con el alumno Rodrigo
Miranda Maldonado de Ingeniería de Ejecución en Mecánica, se llevó a cabo un
análisis comparativo, energético y ambiental, en calefones de uso doméstico
que operan con gas licuado de petróleo (G.L.P.) y gas natural (G.N.). Para
realizar este fue necesario implementar instalaciones de cañerías con las
conexiones adecuadas, para abastecer los calefones de gas, además de
instalar manómetros y termómetros para registrar los datos necesarios.
Para instalar los calefones y proveer a éstos de gas y agua, fue
necesario tomar en cuenta el Decreto Supremo 222/96 del Ministerio de
Economía, Fomento y Reconstrucción, y para realizar las mediciones de los
gases de escape se utilizó un equipo de medición continua marca Testo 350-
XL.
Una vez realizadas las mediciones con G.L.P. se cambiaron los
inyectores, se reguló la presión de servicio, para operar los calefones con G.N.
Obtenidos los datos necesarios se calcularon los rendimientos de combustión y
térmico, y los caudales de gases de escape, para ambos combustibles
gaseosos.
Comparando los resultados, se puede concluir que el rendimiento
energético es mayor con G.L.P. y que las emisiones de gases contaminantes
son menores con G.N.
Palabras Claves: Gas Natural, Gas Licuado de Petróleo, Combustión.
ABSTRACT
The crisis of the Natural Gas (NG) that is lived nowadays, makes the
need to look for energetics alternatives, one of these, is using Liquid Petroleum
Gas (LPG).
In the following work was realized together by the student Rodrigo
Miranda Maldonado of Engineering Execution in Mechanical, and it has done a
comparative energetic and environmental analysis in instantaneous heaters of
water that operate with Liquid Petroleum Gas and Natural Gas. To realize this
study it was necessary to implement pippins installations with the suitable
connections to supply the instantaneous heaters of water, besides installing
gauges and thermometers to register the necessary information.
To install and to provide of gaseous combustible and water for the
instantaneous heaters of water, it was necessary to work with several Supreme
Decree 222/96 of the Department of Economy, Promotion and Reconstruction.
To realize the measurements of the gases product of combustion, was using
Testo 350 - XL.
Realized the measurements with Liquid Petroleum Gas was necessary to
change the injectors, the working pressure was regular to use Natural Gas in the
instantaneous heaters of water. Obtained the necessary information to calculate
the efficiency and the flow of gases product of combustion.
Comparing the results, it was possible to conclude that the energetic
efficiency in Liquid Petroleum Gas is better, and the emission of pollutant in
Natural Gas is less.
Key Words: Natural Gas, Liquid Petroleum Gas, Combustion.
ÍNDICE
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN 1.1. Introducción 1
1.2. Planteamiento del problema 3
1.3. Hipótesis 3
1.4. Objetivos 3 1.4.1. Objetivo General 3
1.4.2. Objetivos Específicos 4
1.5. Metodología 5
1.5.1. Marco Teórico 6
1.5.2. Marco Práctico 6
1.5.3. Conclusiones 7
CAPITULO II: DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE CALENTADORES INSTANTÁNEOS DE AGUA (CALEFÓN), QUE OPERAN CON COMBUSTIBLES GASEOSOS.
2.1. Introducción 8
2.2. Partes Principales de un Calefón 8
1.-Cámara Extractora de Gases (Corta tiro) 9 2.- Cámara de Caldeo 10
3.- Quemadores 10
4.- Dispositivo de Seguridad 11
5.- Piloto 11
6.- Válvula de Gas 12
7.- Válvula de Agua 13
2.3. Principio de Funcionamiento de un Calefón 14
2.3.1. Características Funcionales de Calefones 15
1.- Control de Temperatura 15
2.- Sistema de Seguridad del Piloto 15
3.- Tipo de Encendido del Piloto 17
4.- Velocidad del Encendido de Quemador 17
2.4. Evacuación de los Gases de Combustión, Según Decreto Supremo 222/96, del Ministerio de Economía, Fomento y Reconstrucción. 17
2.4.1. El Ducto Colectivo o Shaft 19
2.4.2. Ventilación de las Instalaciones 20
2.4.3. Ventilación Superior 21
2.4.4. Ventilación Inferior 22
2.4.5. Ventilación directa 23
2.4.6. Ventilación indirecta 23
CAPITULO III CARACTERIZACIÓN DE COMBUSTIBLES UTILIZADOS, FUNDAMENTOS DE COMBUSTIÓN E IMPACTO AMBIENTAL. 3.1. Introducción 24
3.2. Caracterización Físico Química de Gas Licuado de Petróleo 24
(G.L.P.). 3.2.1 Propiedades del G.L.P. 25
3.3 Caracterización Físico Química de Gas Natural (G.N.) 26
3.3.1 Propiedades del G.N. 27
3.4. Propiedades de los Gases 29
Densidad relativa 29
Poder calorífico 29
Poder calorífico superior 29
Poder calorífico inferior 29
Índice de Wobbe 29
3.5. Fundamentos de Combustión 30
3.5.1 Estequiometría de la Combustión 32
3.5.2 Calidad de una Combustión 41
3.6. Ecuación del Método del Rendimiento Directo 43
3.7. Descripción de Efectos e Impacto Ambiental 44
3.7.1. Monóxido de Carbono 45
Donde encontramos Monóxido de Carbono 45
Efectos del Monóxido de Carbono en la Salud 45
3.7.2. Dióxido de Carbono o Anhídrido de Carbono (CO2) 48
Efectos del Dióxido de Carbono en la Salud 49
Impacto sobre el medio ambiente 50
3.7.3. Óxidos de Nitrógeno (NOx) 50
Efectos de los Óxidos Nitrógeno (NOx) en la Salud 51
Impacto sobre el medio ambiente 51
3.8. Modelo Matemático de Balance y Energía 52
3.8.1. Balance estequiométrico 52
3.8.2. Volumen de aire estequiométrico 55
3.8.3. Gases producto de la combustión 56
3.8.4. Exceso de aire 61
3.8.5. Determinación de Condición Real de Combustión 62
Gases de Escape Producto de la Combustión 62
Volumen de los Gases Secos Producto de 62
La Combustión 3.8.5. Balance Energético y Rendimiento Indirecto 62
3.8.6. Ecuación Rendimiento Indirecto 64
1.- Calor Cedido o Aportado 64
2.- Energía Pérdida (Perdidas) 65
CAPITULO IV DISEÑO DE ENSAYOS Y MEDICIÓN DE VARIABLES ENERGÉTICAS Y AMBIENTALES.
4.1 Introducción 77
4.2 Normativas de medición de artefactos 77
4.3 Descripción de Montajes de Equipos Domésticos 78
Montaje Sala de Ensayo 78
Mantención 80 Calculo del diámetro del inyector 80
Procedimiento de Medición 81
Mediciones 83
4.4 Descripción de Instrumentos de Medición 85
Testo 350-XL 85
4.5 Medición Energetica y Ambiental de Artefactos Domésticos 86
4.5.1. Calefón Mademsa 86
Medición con Gas Licuado de Petróleo. 87
Medición con Gas Natural. 90
4.5.2. Calefón Junker 93
Medición operando con G.L.P. 94
4.5.3. Calefón Splendid 97
Medición con G.L.P. 98
Medición con Gas Natural 101
4.5.4. Calefón Ursus Trotter 104
Medición con Gas Licuado de Petróleo 105
Medición con Gas Natural 108
CAPITULO V RESULTADOS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS 5.1 Introducción 110
5.2 Evaluación Energética, Usando Método Directo e Indirecto 110
5.3 Evaluación Ambiental 115
5.4 Análisis de Rendimientos y Factores de Emisión 118
CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 120
ANEXO
Anexo A − Manual Programa Método Indirecto del Rendimiento Para
Combustibles Gaseosos 128
Anexo B − Calefón Mademsa 128
Anexo C− Calefón Junker 129
Anexo D − Calefón Splendid 130
Anexo E − Calefón Ursus Trotter 131
Anexo F − Parámetros de Combustión 133
BIBLIOGRAFÍA 136
CAPITULO I − INTRODUCCIÓN
1.1. Introducción
Desde el año 2004 los chilenos han sido testigos de los problemas de
suministro de gas natural, Chile depende peligrosamente de otras naciones
vecinas para el abastecimiento de éste, el 90% de gas natural se importa desde
Argentina.
Si bien el sector más perjudicado será el productivo, los hogares de los
chilenos también resultarán afectados y ya se han visto los aumentos en las
tarifas que han sufrido, y aún se vendrán nuevas alzas, ya que se espera que
Argentina aumente el precio de exportación del gas.
En estos últimos días (Junio de 2007) se han realizado recortes en los
envíos de gas desde Argentina, además sumado al aumento explosivo en la
demanda de éste en nuestro país, producto de la ola de frío que nos afecta, se
ha visto reflejado en el gasto de la reserva de la cañería conocida como line-
pack, la reserva en este momento con que cuenta Metrogas solo alcanzaría
para abastecer a la población por un día.
Las autoridades llaman a tener calma, ya que los argentinos nunca han
dejado de cumplir con lo mínimo (asegurar el consumo residencial), pero
últimamente se vive en este ambiente de incertidumbre.
Por otra parte la Asociación Chilena de Distribuidores de Gas Licuado
asegura que están en condiciones de abastecer a los hogares chilenos. Pues
según sus datos abastecen cerca del 80% de la población.
Éste es producido en el país a partir del propio petróleo, aunque también
se puede importar como tal desde distintos lugares. A nivel residencial
constituye una alternativa viable.
Frente a una situación de corte en el suministro a los hogares y sector
productivo se responsabilizará a las autoridades por haber tomado decisiones
con tan poca visión, que no se buscaron fuentes de energía alternativas o que
no se ha investigado sobre el tema, que no se ha hecho un real
aprovechamiento del potencial hidroeléctrico.
Pero el escenario que hoy enfrenta es país es la necesidad de buscar
una solución a corto plazo a esta crisis energética, y una posibilidad sería el uso
de gas licuado petróleo (GLP), por las cualidades que éste posee.
El GLP cumple con cualidades que lo hacen una muy buena alternativa,
como es su mayor poder calorífico, lo que se ve reflejado en un menor
consumo; además puede ser manejado con la conveniencia de un líquido y
utilizado con el beneficio de los combustibles gaseosos. Otras ventajas son que
se quema totalmente, sin dejar residuos o cenizas; no produce humo ni hollín sí
se le usa adecuadamente, Siendo el único inconveniente el que tenga una
densidad mayor que la del aire.
Ambientalmente, ambos combustibles son limpios, emiten muy poco y si
se usan en artefactos que están en buenas condiciones, instalados como lo
sugiere el Decreto Supremo 222/96 del Ministerio de Economía, Fomento y
Reconstrucción, son combustibles muy seguros y limpios para las personas y el
medio ambiente.
1.2. Planteamiento del problema
Actualmente algunos de los chilenos que tienen suministro de gas natural
en sus hogares, viven desde el 2004 en la incertidumbre de cual será la
situación de ellos, en caso de cortes en los envíos desde los países vecinos. Es
por esto, que no sólo resulta necesario implementar medidas de ahorro
energético, sino buscar alternativas de energías que cumplan con las
características energéticas y ambientales similares o mejores al Gas Natural.
Para los efectos de este trabajo el problema se centra en el
calentamiento de agua para uso sanitario.
1.3. Hipótesis En el análisis comparativo, energético y ambiental, en calefones de uso
doméstico que operan con gas licuado de petróleo y gas natural, se trabajará
con las siguientes hipótesis:
1. El Gas Licuado de Petróleo posee mayor poder calorífico, por lo que se
espera un mejor rendimiento de combustión y térmico y una disminución
importante del consumo.
2. Si los calefones han sido sometidos a mantenciones periódicas como se
recomienda, las emisiones de gases producto de la combustión, son
pequeñas, operando con ambos combustibles gaseosos.
1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo General Realizar un análisis comparativo, energético y ambiental, en calefones de
uso doméstico que operan con gas licuado de petróleo y gas natural.
1.4.2. Objetivos Específicos
- Medir, analizar los contaminantes que se generan al interior de las
viviendas, por el uso de calefones que operan con Gas Natural y Gas licuado de
Petróleo.
- Comparar contaminantes que se generan cuando se opera con Gas
Natural y Gas Licuado de Petróleo.
- Utilizar metodología directa e indirecta para obtener el rendimiento
térmico de los calefones y comparan los resultados con ambos métodos.
- Calcular y comparar los rendimientos térmicos de los calefones, cuando
operan con Gas Natural y Gas Licuado de Petróleo.
1.5. Metodología
La metodología que se utilizó en este trabajo se dividió en dos etapas
una teórica y otra practica, que se explican a continuación.
Práctica Teoría
Recopilación de Información Puesta a punto de los calefón
Análisis Comparativo
Estudio Normativa Preparación de las instalaciones
Estudio de las propiedades del G.N. Y G.L.P.
Realización de Mediciones
Análisis Teórico Análisis de los Resultados y Construcción Programa PC
Conclusión
1.5.1. Marco Teórico
• Recopilación de Información La recopilación de información consistió en la búsqueda de toda la información
referente al tema, tanto de gases, calefones, balances energéticos,
estequiométricos y normativas; con estos antecedentes se pudo formar una
visión más clara del tema y determinar como se podría encaminar éste.
• Estudio de Normativa Se investigo la normativa aplicable al estudio, haciendo mayor hincapié en
aquellas que eran necesarias para poder realizar las instalaciones que
permitirían llevar a cabo las mediciones, específicamente D.S. 222/96 de
Economía, Fomento y Reconstrucción que regula las instalaciones de artefactos
a gas.
• Estudio del Gas Natural y Gas Licuado de Petróleo Esta consistió en estudiar ambos gases, entendiendo sus propiedades y las
medidas de seguridad que se debían tomar para trabajar con ellos.
• Análisis Teórico En esta etapa se procedió a analizar las situaciones que se dieron durante el
desarrollo de los ensayos e intentar dar algunas explicaciones.
1.5.2. Marco Práctico
• Puesta a Punto de los Calefón Una vez estudiado el funcionamiento de los calefones, se comenzó el trabajo de
puesta a punto, que consistió en realizar mantención a cada uno de ellos y la
regulación de la RAC (relación aire-combustible) a la mejor condición de
funcionamiento.
• Preparación de las Instalaciones
En esta etapa se realizaron todas las conexiones de agua y gas necesarias
para la conexión de los calefón, hubo que soldar cañerías, instalar mangueras y
verificar las ventilaciones.
• Realización de las Mediciones
Una vez realizadas las instalaciones de agua y gas y las debidas mantenciones
a los calefón, se procedió a tomar las mediciones de la combustión en los
calefón; operando con ambos gases.
• Análisis de los Resultados y Construcción Programa PC En esta etapa se realizaron y analizaron los resultados y se realizó un programa
computacional para facilitar los cálculos del rendimiento obtenido por método
indirecto.
1.5.3. Conclusiones Haciendo un resumen del trabajo teórico y práctico se obtuvo las conclusiones.
CAPITULO II − DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE CALENTADORES
INSTANTÁNEOS DE AGUA (CALEFÓN), QUE OPERAN CON COMBUSTIBLES GASEOSOS.
2.1. Introducción
El calefón es un artefacto que cumple la función de calentar el agua en
forma instantánea, el agua se calienta durante el tiempo que recorre desde la
entrada hasta la salida del aparato por efecto de la combustión del gas en el
cuerpo de caldeo, siendo esta la principal diferencia con otros artefactos
productores de agua caliente, como el termo, que es un acumulador de agua
caliente.
Los calefón se clasifican en distintos tamaños, según el caudal de agua
caliente, medidos en litros por minutos que pueden entregar con un aumento de
temperatura de 25ºC sobre la temperatura de entrada de agua fría.
Por ejemplo, un calefón de 10 litros nominal es capaz de entregar 10
litros por minuto de agua caliente a 40ºC cuando el agua fría ingresa al sistema
a 15ºC.
2.2. Partes Principales de un Calefón. Todo calefón se compone de las siguientes partes, de acuerdo a la figura 2-2:
Fig. 2-2, Partes de un calefón
1.- Cámara Extractora de Gases (Corta tiro)
Es un elemento fabricado en acero y enlozado o acero aluminizado para
resistir altas temperaturas y evitar su oxidación.
Cumple la función de enfriar los gases producto de la combustión y con
ella disminuye el tiraje, dándole mayor tiempo de residencia a los gases
calientes para transferir el calor al cuerpo de agua.
Como se puede observar en la figura 2-3 en el corta tiro se encuentran
las bandejas anti-desbordantes que sirven para recoger el material particulado
que se desprenda. Además cumple la función de permitir la salida de los gases
producto de la combustión y dirigirlos en un solo sentido.
Figura 2-3 Cámara Extractora de Gases 2.- Cámara de Caldeo (Hogar) Es un elemento hecho en cobre revestido en plomo con estaño para
soportar temperaturas en el cual, el calor producido por la combustión del gas
en el quemador, es transferido al agua, haciendo aumentar la temperatura de
ésta.
3.- Quemadores Esta hecho en acero y cumple la función de combustionar la mezcla de
gas y aire debiendo ser esta completa sin formación de llama amarillenta sino
azulina verdosa, de acuerdo a la figura 2-4.
Figura 2-4 Quemadores
4.- Dispositivo de Seguridad
Como su nombre lo indica (ver figura 2-5), es el que permite el flujo de
gas al quemador cuando el piloto está encendido, dando la seguridad de que
éste será combustionado. Este sistema puede ser del tipo bimetal o por
termopar.
Figura 2-5: Dispositivo de Seguridad 5.- Piloto
Es la llama que permite el encendido del calefón ya que esta dirigida
hacia el sistema de seguridad (bimetal o termopar), como el quemador, cuando
éste se apaga por algún motivo fuera de lo normal, se enfría el termopar o
bimetal, permitiendo así el cierre total del paso de gas. En la figura 2-6 se
puede observar en detalle.
Figura 2-6: Piloto
6.- Válvula de Gas Este elemento tiene la función de conducir y regular del gas hacia el quemador
como al piloto. Como se pude observar en la figura 2-7 en su interior tiene una
válvula de cierre que es accionada por la válvula de agua.
1.- Cabeza piloto 2.- Guía llama 3.- Separador 4.- Bimetal 5.- Tuerca cabeza piloto
6.- Tuerca Unión
7.- Tubo mezclador
8.- Inyector
9.- Porta inyector
Figura 2-7: Válvula de Gas
7.- Válvula de Agua Se podría decir que es la parte más importante del artefacto, ya que ésta
permite el flujo de gas sólo cuando existe paso de agua en el calefón,
protegiendo el aparato del recalentamiento en caso de falta de agua.
La válvula de agua mostrada en la figura 2-8 esta dividida en dos
cámaras por medio de una membrana. Cuando se tiene cerrado el grifo de agua
caliente, existe una presión equivalente en ambas cámaras, manteniendo así el
platillo en posición inferior, con lo cual mantiene cerrado el paso de gas.
Cuando se abre el grifo de agua caliente comienza a circular agua, produciendo
el vaciado de la cámara superior por medio del conducto venturi, con lo cual se
produce una diferencia de presión, permitiendo así que el platillo suba,
accionando el sistema que permite el flujo de gas hacia los quemadores.
1.-Cuerpo Superior
2.- Cuerpo Inferior
3.- Membrana
4.- Tubo Venturi
5.- Platillo
6.- Resorte
7.- Control retardador
del encendido
8.-Bolita
9.-Válvula retardador
del encendido
10.- Tuerca Guía
Figura 2-8: Válvula de Agua en corte 11.- Guía eje platillo
12.- Sello O'ring
2.3. Principio de Funcionamiento de un Calefón. Se supondrá que:
1.- Está conectado a la red de agua y gas;
2.- Salida de gases al exterior.
Cuando se enciende el piloto, éste calienta el bimetal o termopar
(sistema de seguridad) permitiendo la apertura de la válvula de seguridad, luego
al abrir el grifo de agua caliente, comienza a producirse la diferencia de
presiones en la válvula de agua a la vez que también comienza a circular agua
por el exterior del hogar; en este momento comienza a ascender el platillo en
forma lenta, controlado por un mecanismo retardador que regula el vaciado del
agua de la cámara superior de la válvula de agua, a medida que asciende el
platillo, el vástago de éste empuja la válvula de cierre permitiendo así la salida
del gas hacia el quemador, siendo combustionado por medio del piloto.
El traspaso del calor al agua se produce por medio del intercambiador de
calor, que está ubicado en la parte superior del cuerpo de caldeo y que consiste
en el paso sucesivo del agua a través de éste.
2.3.1. Características Funcionales de Calefones. 1.- Control de Temperatura: según manual de calefón Mademsa, como se
regula la temperatura de agua caliente.
Por paso de gas: Se regula manualmente el paso del gas al quemador: más
gas y el agua sale más caliente. Tiene el inconveniente que al abrir más de una
llave el agua comienza a salir más fría y en menor cantidad.
Por regulación del caudal de agua: Se selecciona manualmente la cantidad
de agua que pasa pos el calefón y un regulador de presión la mantienen
constante: menos agua y sale más caliente.
Termostático: Un sensor de temperatura en la salida de agua caliente, regula
automáticamente el paso de gas al quemador para mantener la temperatura
seleccionada del agua. Si se abre más de una llave el agua comienza a
enfriarse y pasa más gas hasta retomar la temperatura seleccionada. Opera
muy bien, hasta que se sobrepasa la capacidad del calefón.
2.- Sistema de Seguridad del Piloto: Impide que pueda salir gas por el
quemador del calefón si la llama del piloto está apagada, ya que este gas
quedaría en la habitación sin quemarse. Existen dos sistemas:
Por bimetal o mecánico: La deformación de una lámina metálica al calentarse
con la llama del piloto, abre la válvula de seguridad de paso de gas. Al
desaparecer la llama, se enfría la lámina y la válvula se cierra (ver figura2-9).
Figura 2-9: Laminas Bimetálicas Por termopar o electromagnético: Como se puede ver en la figura 2-10 la
llama del piloto calienta un termopar, produciéndose una pequeña corriente
eléctrica, suficiente para mantener abierta la electroválvula de seguridad de
paso de gas. Al apagarse el piloto, se enfría el termopar, cesa la corriente
eléctrica y la válvula se cierra.
Figura 2-10: Funcionamiento del Termopar
3.- Tipo de Encendido del Piloto: Manual: Acercando un fósforo al piloto.
Automático: Al accionar un encendedor piezoeléctrico una chispa salta de una
bujía frente al piloto, encendiéndolo (como muestra la figura 2-11). Este
encendedor no necesita pilas ni electricidad.
Figura 2-11: Sistema piezoeléctrico
4.- Velocidad del Encendido de Quemador: Es la rapidez con que se propaga
la llama en el quemador al encenderse el calefón.
En una etapa: Es un encendido brusco a potencia total, la llama desprende
hollín y es bastante ruidoso.
En dos etapas- progresivo: Primero se enciende una llama corta y luego toma
su total potencia. Esto da un encendido suave y sin hollín. 2.4. Evacuación de los Gases de Combustión, Según Decreto Supremo 222/96, del Ministerio de Economía, Fomento y Reconstrucción.
Para el correcto funcionamiento de un calefón y por normativa se supone
conectada la salida de gases al exterior. Los conductos deberán ser de un
diámetro ligeramente superior al diámetro del collarín del cortatiro, sin
estrangular a los gases y sellados adecuadamente al collarín, con silicona
térmica. Los conductos deberán desembocar al exterior o bien a un shaft.
El conducto de evacuación será vertical a la salida del collarín, en una
longitud no inferior a 20 cm., posteriormente será seguido por un tramo
ascendente (ángulo de inclinación de 45º), para terminar en un tramo recto de ≥
50 cm., donde el extremo superior será protegido de los vientos y lluvias por un
sombrerete simple.
Si el ducto secundario empalmara a un shaft, su longitud debería ser de
1 m de acuerdo a la normativa (y no de 50 cm).Cuando la descarga del
artefacto es vertical, el conducto tendrá una longitud ≥ 50 cm., y el extremo
superior deberá protegerse contra el viento y la lluvia.
Si el conjunto de calefones descargan a una chimenea común, la forma
de hacerlo se muestra en la siguiente figura 2-12:
Figura 2-12: Descarga colectiva
En este sistema se puede comprobar que los ductos secundarios están
integrados al shaft. Esta situación favorece la descarga de los gases ya que los
ductos secundarios no bloquean al conducto principal que saca los gases fuera
del edificio.
Para calcular el área requerida del ducto debe existir una correlación
entre ésta y la potencia de salida del total de artefactos instalados en este
conducto, teniendo en consideración que solo podrán instalarse 2 calefón por
ducto y por piso hasta un máximo de 8 pisos. En Resumen un ducto que ventile
a los 4 vientos debe cumplir lo siguiente:
a.- Sobresalir por 40 cm. sobre la techumbre o sobre una rasante a 45º.
b.- Sobresalir por 1,8 m en la azotea de cualquier edificio (terraza del edificio).
c.- Si existen muros o edificios vecinales, deberá sobrepasar en 40 cm. La
rasante de 45º trazada desde el muro más alto.
El ducto podrá ser circular, cuadrado o rectangular, pero su sección
transversal no podrá ser inferior a la del collarín del calefón.
2.4.1. El Ducto Colectivo o Shaft:
Es un ducto metálico (latón galvanizado 0,8 mm.) vertical, ubicado
convenientemente en un edificio y destinado a decepcionar los ductos
secundarios de los calefones que descargan a el. Debe tener acceso común a
todos los moradores. Su cenicero debe estar limpio y su ventilación despejada.
Los ductos secundarios deberán tener 1m de longitud y apegado a la
pared del shaft, debe tener una escotilla en cada piso o cámara de registro. En
el punto donde se inicia el shaft debe existir un cenicero, una ventilación de 200
cm2 libres. Sólo podrá contener la descarga de hasta 2 calefones por piso.
Deberá iniciarse en el mismo nivel o un piso más abajo, de donde está instalado
el calefón más bajo de la corrida.
En la azotea del edificio el shaft debe tener como máximo 1,8 m. y
coronado por el sombrerete aspirador estacionario sellado con silicona térmica.
Si hay un edificio vecinal debe supera la rasante de 45°, deberá ser
superado en 40 cm. y coronado por el sombrerete.
2.4.2. Ventilación de las Instalaciones
La ventilación de los espacios donde operan los calefones es
fundamental para su buen funcionamiento y para la seguridad de los moradores
de una vivienda, es por esto que la legislación es estricta al respecto.
Se podrá instalar un calefón o termo tipo B en espacios reducidos de
oficinas, destinados a cocinar, o bien en locales comerciales o departamentos
de ambiente único, siempre que cumpla con las siguientes condiciones:
• El ambiente deberá tener un volumen mínimo de 35m2.
Se podrán instalar calefones o termos en compartimentos tales como
armarios, closet y otros similares, ubicados en el interior o exterior de la
vivienda, siempre que cumplan con los siguientes requisitos:
• Los compartimentos deben ser construidos de albañilería u otro material
incombustible, y exclusivamente para el calefón o termo. Para evitar que
se almacenen objetos, el compartimento deberá tener bajo el Calefón un
plano inclinado con una pendiente superior a 45º.
• El calefón debe quedar separado a lo menos 5cm de las paredes
laterales y de la puerta del compartimento, si esta es de material
incombustible; si la puerta es de material combustible, la distancia entre
el artefacto y la puerta debe ser a lo menos de 20cm.
• El compartimento debe costar de una ventilación inferior y una
ventilación superior.
El Decreto Supremo 222/96 establece algunos requisitos para las
instalaciones de calefones en recintos de cocina que tengan como mínimo un
volumen de 7m3 y que cuenten con las ventilaciones que se indican el la tabla
II-1.
Tabla II-1 Ventilaciones para la instalación de calefones y termos en recintos de cocina
Volumen del recinto V(m3)
Nº de artefactos permitidos
Ventilaciones
7≤V<10 No más de 1 Una superior y una inferior
1 Una inferior 10≤V<20 2 o más Una superior
y una inferior 1 No requiere 20≤V
2 o más Una inferior *Tabla Nº40.1 D.S. 222/96
2.4.3. Ventilación Superior
Esta ventilación se usa para la salida del aire viciado, es decir los gases
de escape producto de la combustión, esta ventilación debe cumplir con los
siguientes requisitos:
• Se ubicará a una altura mínima de 1,80m sobre el suelo.
• La sección libre mínima de salida del aire viciado será de 150 cm2.
• Siempre será una ventilación directa, es decir deberá descargar
directamente al exterior a través de una pared, o por el entretecho
mediante un doble conducto, o por medio de un conducto colectivo
exclusivo para la ventilación que sirva a varias unidades en un edificio.
La salida de ventilación deberá estar siempre ubicada a una altura
inferior a la de un sombrete de un conducto de artefactos tipo B, y a no menos
de 60cm de cualquier parte de dicho sombrete y de 30 cm del conducto
correspondiente.
2.4.4. Ventilación Inferior
Esta ventilación se utiliza para proveer aire para la combustión y bebe de
cumplir los siguientes requisitos:
• Se ubicará a una altura máxima de 30 cm sobre el nivel del piso, y se
tratara que su ubicación no constituya una molestia para los ocupantes
del recinto.
• La sección libre de entrada de aire desde el exterior será de 150 cm2, y
puede provenir desde el exterior o desde un recinto vecinal. La
ventilación desde el exterior es obligatoria en aquellos artefactos que no
se encuentren conectados a conductos de evacuación de gases. Si la
ventilación proviene de un recinto vecinal, este necesariamente tiene que
tener ventilación directa del exterior y no debe pasar por Dormitorios,
Baños y Cocinas.
2.4.5. Ventilación directa
Esta se logra introduciendo aire en un punto adyacente al artefacto de
gas ubicado adecuadamente respecto de él, utilizando una de las siguientes
alternativas:
• Por pasada a través de los muros exteriores.
• Por un conducto de ventilación individual, ya sea horizontal, ascendente,
o descendente; o
• Por un conducto de ventilación colectivo.
La entrada de aire deberá estar ubicada a no menos de 30 cm de
cualquier parte de un conducto para artefactos tipo B o tipo C, si la ventilación
se logra por un conducto individual ascendente a un conducto colectivo, su
entrada de aire deberá estar ubicada siempre a una altura inferior a la de un
sombrerete de un conducto para artefactos Tipo B, y a no menos de 60 cm. de
cualquier parte de dicho sombrerete.
La ventilación directa es obligatoria en el caso de artefactos instalados
que no precisen estar conectados a un conducto de evacuación de los
productos de la combustión.
2.4.6. Ventilación indirecta
Esta se logra por pasadas de aire a través de un muro interior que forma
parte de un recinto que tenga una ventilación directa al exterior; recinto que no
podrá ser dormitorio, baño o cocina.
CAPITULO III − CARACTERIZACIÓN DE COMBUSTIBLES UTILIZADOS,
FUNDAMENTOS DE COMBUSTIÓN E IMPACTO AMBIENTAL.
3.1. Introducción Este capitulo habla de las características y propiedades de los
combustibles gaseosos, específicamente del Gas Licuado de Petróleo y Gas
Natural.
Se estudia los fundamentos de combustión, método directo e indirecto
para obtener el rendimiento térmico, además se anexa a este trabajo un
programa computacional para facilitar el cálculo del rendimiento de combustión
y energético utilizando método indirecto.
También se analizará la normativa para las instalaciones a gas y la
normativa para realizar las mediciones necesarias para el estudio que se esta
llevando a cabo.
3.2. Caracterización Físico Química de Gas Licuado de Petróleo (G.L.P.). Se denominan gases licuados de petróleo a todos aquellos
hidrocarburos, que son compuestos químicos, cuyas moléculas están formadas
por los átomos de carbono e hidrogeno, que en condiciones normales de
presión y temperatura se mantienen en estado gaseoso, pero que al ser
sometidos a compresión, cambian a fase líquida.
Los gases licuados de petróleo son productos derivados de la destilación
del petróleo, conservándose en forma liquida en depósitos especialmente
construidos para ello. Se los identifica por la sigla G.L.P.
En general los G.L.P. más conocidos son: el propano (C3H8), el butano
(C4H10) o una mezcla de ellos. Pertenecen a la tercera familia de gases. Los
gases butano y propano son hidrocarburos, es decir, es decir, compuesto de
hidrogeno y carbono, que el numero de átomos de hidrogeno es el doble, mas
dos átomos de carbono, o sea, responden a la fórmula general de hidrocarburos
del tipo CnH2n+2.
Estos gases se distribuyen en cilindros, donde van a una alta presión que
los mantiene al estado liquido dentro de éstos (10atm). Aunque su estado
original es inodoro, el G.L.P. es odorizado por el productor, mediante la adición
de agente (etilmercaptano) de manera que en caso de un escape, puede ser
detectado por el olfato. La forma de distribución típica, corresponde a cilindros
de gas licuado de 5 Kg, 11 Kg, 15Kg, y 45 Kg.
3.2.1 Propiedades del G.L.P. Tabla III-1 Composición centesimal en masa del G.L.P.
Elemento Composición Centesimal (% Masa)
Carbono 81,0
Hidrogeno 19,0
Nitrógeno 0,0
Azufre 0,01
Oxígeno 0,0 *SEREMI, Salud Metropolitano de Ambiente
Tabla III-2 Composición porcentual promedio del G.L.P.
Compuesto Fórmula Composición (%V)
Propano C3H8 95,4
Etano C2H6 1,2
Compuesto Fórmula Composición (%V)
Isobutano i-C4H10 1,95
n-Butano n-C4H10 1,45 *Gasco S.A. Curso gas licuado Marzo 2004
Tabla III-3 Propiedades G.L.P.
Propiedad Unidad Cantidad
Poder calorífico
superior
(KJ/Kg) 51000
Poder calorífico
superior
Kcal/m3 22.400
Poder calorífico inferior (KJ/Kg) 47.500
Poder calorífico inferior (Kcal/m3) 20.500
Densidad relativa Adimensional 1,57
Densidad absoluta Kg/m3 1,86
Presión de Servicio mm.c.a 280
Índice de Wobbe Kcal/m3 19.525
3.4 . Caracterización Físico Química de Gas Natural (G.N.). Se denomina Gas Natural al conjunto de hidrocarburos gaseosos
formados principalmente por Metano, en proporción superior al 70%, que se
obtienen de la naturaleza en los campos petrolíferos acompañados al crudo del
petróleo (gas natural asociado) o acompañado únicamente por pequeñas
cantidades de otros hidrocarburos o gases (gas natural no asociado).
No existe una teoría rigurosa sobre su formación, pero puede asegurarse
que proviene del mismo proceso de formación del petróleo. Desde hace varios
decenios, las prospecciones geológicas, que se han acelerado después de la
Segunda Guerra Mundial, han hecho aparecer, desigualmente repartidos sobre
la superficie del globo y a profundidades que sobrepasan, a veces, los 5000m,
yacimientos de gas más o menos importantes y más o menos concentrados,
acompañados o no de petróleo. Los componentes que pueden acompañar al
Metano son hidrocarburos saturados como Etano, Propano, Butano, Pentano y
pequeñas proporciones de gases inertes, tales como anhídrido carbónico,
nitrógeno y, en algunos casos, ácido sulfhídrico, oxígeno e hidrógeno. La
proporción de estos componentes raras veces supera el 15%.
En su estado original, el gas natural es insípido, incoloro e inodoro, es
decir no tiene sabor, no tiene color y tampoco tiene olor. Por ello se agrega un
compuesto (Mercaptano) que permite que las personas con sentido normal del
olfato detecten su presencia.
El gas natural es entre 35 a 40 % más liviano que el aire, lo que significa
que se disipa en la atmósfera en caso de fuga, disminuyendo el peligro de
explosión.
3.3.1 Propiedades del G.N. Tabla III-4 Composición centesimal en masa del gas natural.
Elemento Composición Centesimal (% Masa)
Carbono 76,0
Hidrogeno 23,2
Nitrógeno 0,8
Azufre 0,02
Oxígeno 0,0 *SEREMI, Salud Metropolitano de Ambiente
Tabla III-5 Composición porcentual promedio del gas natural (G.N.).
Compuesto Fórmula Composición Porcentual (%V)
Metano CH4 91,25
Etano C2H6 4,34
Propano C3H8 0,29
Butano C4H10 0,11
Nitrógeno N2 0,85
Anhídrido carbónico CO2 1,69 *Gasco S.A. Curso de gas licuado marzo 2004
Tabla III-6 Propiedades gas natural (G.N.).
Propiedad Unidad Cantidad
Poder calorífico
superior
KJ/Kg 49.500
Poder calorífico
superior
Kcal/m3 9.500
Poder calorífico inferior KJ/Kg 44.500
Poder calorífico inferior Kcal/m3 8.500
Densidad relativa Adimensional 0,65
Densidad absoluta Kg/m3 0,8
Presión de Servicio mm.c.a 180
Índice de Wobbe Kcal/m3 12.307
3.4. Propiedades de los Gases. Densidad relativa
La densidad relativa en un gas es muy importante, ya que está es
determinante en el comportamiento del gas, es decir, en el caso de una fuga
determinara si esté ascenderá o se acumulará en el piso.
Poder calorífico
Se define poder calorífico como la energía acalórica que se desprende
en la combustión completa de la unidad de masa o de volumen del combustible. Poder calorífico superior El agua producto de la combustión se condensa a nivel de pared, por lo
que hay un porcentaje de calor desarrollado que se pierde, pero se utiliza para
lograr que los gases asciendan con mayor facilidad (tiraje).
Poder calorífico inferior
El agua, producto de la combustión se manifiesta en estado gaseoso, es
el calor que se genera a nivel de hogar de la fuente y es el que realmente se
aprovecha.
Índice de Wobbe
Es un parámetro que permite evaluar la intercambiabilidad de los
combustibles y viene representada por la letra (w), y es el cuociente del poder
calorífico superior (PCS) de un gas o mezcla y la raíz cuadrada de su densidad
relativa al aire, según la siguiente fórmula.
(3-1) 3.5. Fundamentos de Combustión
La Combustión es una reacción química exotérmica que consiste en la
oxidación de una sustancia o mezcla de ellas, lo que recibe el nombre de
combustible. La combustión se manifiesta física y calóricamente por la
presencia de una llama.
Para que se produzca el fenómeno físico de la combustión, deben existir
tres elementos básicos: combustible, comburente (aire) y temperatura. Si falta
uno de estos componentes no puede existir combustión. Como definición la
combustión es la mezcla de un combustible con comburente (aire) con
desprendimiento de luz y calor.
1.- Aire necesario para una buena combustión: El aire participa de dos maneras en un quemador para que se realice la
combustión de un gas.
Aire primario es el aire que se combina con el combustible antes del punto en
que se realiza la combustión.
dPCSw =
Aire secundario es el aire que rodea la llama propiamente tal.
2.- Tipo de Combustión: Cuando un combustible arde, la combustión puede realizarse de dos
maneras dependiendo de la cantidad de aire presente:
1.- Combustión completa.
2.- Combustión Incompleta.
Combustión completa: Es aquella en la cual no falta oxígeno, no quedan
partículas de carbono sin combustionarse y se aprovecha el máximo poder
calorífico del combustible. El aspecto de la llama es de color azul con sus conos
internos y externos bien definidos.
Combustión incompleta: Es aquella en la cual por falta de oxígeno, quedan
partículas de carbono sin quemarse y no se aprovecha el máximo poder
calorífico del combustible. La llama es amarillenta y difusa.
La combustión incompleta en un calefón la pueden provocar cuatro
condiciones bien precisas: Falta de aire primario, Diámetro del inyector con
sobre medida, Inyector desviado con respecto al quemador y Repartidor de
llama abierto.
Los contaminantes más importantes que provienen de la combustión
incompleta de los combustibles generalmente son el monóxido de carbono
(CO), los óxidos de nitrógeno (NOx), las partículas y los hidrocarburos
aromáticos poli nucleares.
Los óxidos de nitrógeno o compuestos de nitrógeno incluyen el NO, NO2,
N2O, N2O4, N2O5 y otros.
Todos son irritantes y pueden afectar la salud de las personas. Son los
precursores en la formación del smog fotoquímico.
Los hidrocarburos aromáticos, se encuentran en bajas concentraciones
pero suficientes como para causar problemas al interior de las instalaciones.
3.5.1 Estequiometría de la Combustión.
Cuando se lleva a cabo una combustión estequimétrica, se genera CO2
(g), H2O (v) Calor y Luz. La reacción química teórico se puede representar por:
CxHy + (x+y/4) O2 = x CO2 + (y/2) H2O +Q + Luz (3-2)
Los productos de esta reacción son todos gaseosos y emergen desde la
cámara de humos a alta temperatura y bajas presiones, lo que significa que los
gases de escape se comportan como ideales.
Para el Organismo Fiscalizador Chileno, las condiciones estándar son a
25ºC y 1,0 atm. Por lo tanto, el volumen molar de la mezcla será
Vm = atm
KKmolLatmPTR
1º16,298*)º/·(082,0·
= = 24,45 (L / mol)
(3-3)
El factor más importante en la estequiometría de la combustión la
presenta la composición centesimal del combustible, cuyos valores se observan
en la tabla 3-7.
Tabla III-7 Composición centesimal promedio de G.L.P. y G.N.
%masa G.L.P. G.N
%C 81 76
%H 19 23,2
%O 0,0 0,0
%N 0,0 0,8
%S 0,01 0,02 *SEREMI, Salud Metropolitano del Ambiente
Supongamos que el combustible (Cb) contiene C (% de Carbono).
C + O2 → CO2
(3-4)
CbKg1Cbgr1000
Odelt1000Odem1
Odemol1Odelt24,45
Cdemol1Odemol1
Cdegr12Cdemol1
Cbgr100CdegrC
2
23
2
22 ×××××
×=
KgcbNdeOm 2
3
12C0.2445
(3-5)
Como el aire contiene 21 % en volumen de oxígeno, se puede determinar
la cantidad de aire estequiométrico necesario para combustionar los C gr de
Carbono.
Así:
KgcbNairem
12C1.164
Oxígenom0.21Airem1
KgcbNdeOxigenom
12C0.2445
3
3N
3N
3
×=×
×
(3-6)
Esto significa que para combustionar totalmente el carbono contenido en
el 1 kg combustible, se requieren de 0,2445 * (C / 12) m3N de Oxígeno puro ó
1,164 *(C / 12) m3N Aire.
Cuando la combustión es completa, también se puede evaluar el CO2
máximo desprendido. Así:
C +O2 → CO2 (3-4)
CbKg1Cbgr1000
COdelt1000COdem1
COdemol1COdelt24,45
Cdemol1COdemol1
Cdegr12Cdemol1
Cbgr100Cdegr
2
23
2
22 ×××××C
( )CbKgCO2dem3N
×=12C0.2445
(3-7)
De forma similar, si H es el porcentaje de Hidrógeno contenido en el
combustible, entonces la cantidad de oxígeno necesario para combustionar
todo el hidrógeno será:
2H· + 0,5 O2 → H2O
(3-8)
Basados en la misma ecuación anterior (3-5), se puede determinar
estequiométricamente la cantidad de agua (vapor) que se formaría durante la
combustión completa del H contenido en el combustible:
CbKg1Cbgr1000
)(Hdelt1000)(Hdem1
)(Hdemol1O(v)Hdelt24,45
Hdeátomos 2O(v)Hdemol1
Hdegr1Hdeátomo1
Cbgr100Hdegr
2
23
2
22 ×××××vOvO
vOH
( )CbKgO(v)Hdem2H0.2445 2
3N
×=
(3-9)
Así basados en el contenido de azufre (S), nitrógeno (N) y oxígeno (O)
en el combustible, las reacciones de combustión para azufre, nitrógeno y
oxígeno se puede representar por las siguientes ecuaciones:
Para azufre: S· + O2 → SO2 (3-10)
Paral nitrógeno: N· + O2 → NO2 (3-11)
Para oxígeno: O· +0,5 O2 → O2
(3-12) Cuyos balances para oxígeno serían respectivamente:
Para Nitrógeno: 0,2445 * (N / 14)… (m3N Oxig / Kg cb)
(3-13)
Para Azufre: 0,2445 * (S / 32)… (m3N Oxig / Kg cb)
(3-14)
Para Oxígeno: (-) 0,2445 * (O / 32)… (m3N Oxig / Kg cb)
(3-15)
Como se esta realizando el balance referido al Oxígeno requerido para
combustionar 1 kg de combustible, se debe restar el oxígeno propio que trae el
combustible. Se puede obtener entonces la ecuación general para el Oxígeno
Estequiométrico o Teórico (Oest) y para el Aire estequiométrico o Teórico
(Aest).
O(V)est = 0,2445 *[ C/12 + H / 4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ]( m3N Oxig / Kg Cb )
(3-16)
A(V)est = 1,162 * [ C/12 + H/4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ] (m3
N Aire/Kg Cb) (3-17)
El aire estequiométrico (o teórico) corresponde a la cantidad mínima
necesaria para que se produzca el encendido de la mezcla combustible. Sin
embargo, esta cantidad de aire no tiene la capacidad de mantener la llama.
El aire estequiométrico se puede expresar por:
Aest = Oest +Nest (3-18)
Se sabe que volumetricamente y en base seca el aire está formado por
un 21% de Oxígeno y un 79% de Nitrógeno, por lo tanto se puede conocer la
cantidad de Nitrógeno aportado por el aire de combustión, el cual saca calor
sensible del hogar de la fuente.
N2 est = 0,79 x Aest
(3-19)
En resumen, los gases de escape estarán formados por:
CO2 = 0,2445 * (C /12) (m3N / kg Cb) (3-7)
SO2 = 0,2445 * (S /32) (m3N / kg Cb) (3-14)
NO2 = 0,2445 * (N /14) (m3N / kg Cb) (3-13)
H2O = 0,2445 * (H /2) (m3N / kg Cb) (3-9)
Nest. = Aest. - Oest = 0,79*Aest (m3N / kg Cb) (3-19)
La suma de estos productos, entrega los gases de escape
estequiométricos húmedos, que abandonan la cámara de humos (GEH).
GEH(V)= 0,2445 * [ C/12 + H/2 + S/32 + N/14] + 0,79*Aest ( m3N / kg Cb)
(3-20)
Puesto que la humedad es sensiblemente variable, los Organismos
Internacionales prefieren referir los cálculos de combustión a base seca. Por lo
tanto se debe restar la producción de agua.
GES = GEH - 0,2445 * ( H / 2 ) ( m3N / kg Cb )
(3-21) Con el propósito de mantener encendida la llama en el hogar, es
necesario adicionar una cantidad de aire mayor que la teórica. De esta forma si
se observa la ecuación de combustión como una ecuación química, entonces la
reacción debe ser desplazada hacia los productos de la reacción. Esta cantidad
de exceso de aire está perfectamente controlada por el Organismo Fiscalizador
a través del Decreto Supremo Nº 322 de 1993. De acuerdo al método 3B de la
EPA se calcula por:
0,5%CO2%O20,264%N
0,5%CO2%O%AE
+−
−=
(3-22) La razón por la cual se controla este exceso es para evitar:
a.- La dilución de cualquier contaminante que se mida, principalmente material
particulado.
b.- Evitar las malas combustiones, porque el exceso de aire enfría el hogar de
la fuente, la combustión se hace incompleta y se genera monóxido CO.
c.- Se sabe que N2 del aire no interviene en la reacción de combustión, sin
embargo, saca calor sensible del hogar para entregarlo a la atmósfera.
Sí el aire se encuentra en exceso, el nitrógeno será mucho mayor y
también será mayor la cantidad de calor que se pierde en los gases de escape.
Lo que se traduce como una pérdida de dinero por parte de los usuarios de la
fuente.
El aire en exceso se pondera por la expresión llamada " Relación de
Aire λ "
Relación de aire λ = iométricoAireEstequalAireRe
(3-23)
Entonces, los gases reales húmedos se pueden considerar como:
GRH = GEH + Aire exceso
(3-24) Donde: A exceso = Areal - Aest
A exceso = λ*Aest - Aest
A exceso = Aest * (λ - 1)
Reemplazando tenemos:
GRH = GEH + (λ - 1) * Aest
(3-25)
(3-26)
A modo de satisfacer las normativas internacionales, que recomiendan
referir la medida en base seca, es necesario referir los resultados a los Gases
Reales Secos (GRS), conocidos también como Volumen Específico. Este último
parámetro reviste gran interés para los laboratorios de medición ya que a partir
de él, se determina el consumo de una fuente a la plena carga.
Físicamente, la plena carga se refiere al consumo máximo de
combustible en el quemador de la fuente, para lograr su potencia nominal.
Potencia nominal (kcal/h)= Consumo Combustible (kg cb/h) · PCS (kcal/kg cb)
(3-27)
Todos los gases emitidos por una fuente de combustión deberán ser
referidos al caudal de los gases de escape, para que sean reportados en
cantidad de materia y no en porcentaje, ya que cualquier dilución con aire,
conlleva a valores engañosos. Lo anterior, hace necesario determinar la
velocidad de los gases de escape (V) y el diámetro de la chimenea (para
determinan el Área de ella en m2). Con estos dos parámetros se calcula el
caudal de los gases de escape:
Qge = V (sm ) * A (m2)
(3-28)
GRH(V) = 0,2445* ( )/(m )21,0(*)3214212
3 KgcbASNHCT −++++ λ
Para determinan la Velocidad de los gases comúnmente se usa el Tubo
de Pitot y un manómetro de columna de agua, la medición se hace realizando
un barrido en la sección transversal del ducto y considerando el valor promedio
de la presión de velocidad, en el caso en que la lectura es muy pequeña se
puede usar un anemómetro de aire caliente.
En la traversa se determinan los valores del ∆p (mm.c.a.) y se calcula
con el valor promedio
V = 34,97*Cp * MwPabpTg
··∆ (
sm )
(3-29)
Posteriormente se mide el diámetro interno de la Chimenea y se calcula
el área de la misma:
A = π · ( 2φ ) 2
(3-30)
En el caudal que se considera Qn, se refiere al caudal de los gases de
escape referidos a 25ºC y 1 atm, pero se debe corregir por Aire en Exceso. Es
decir, se sabe que de acuerdo al D.S. 146 de 2002, se fijaron para todas las
combustiones, el porcentaje máximo de aire en exceso permitido. El factor de
corrección del caudal será:
Fc = permitidAEmáx
AEmedido.%100
%100+
+
(3-31)
QNC = FcQN
(3-32)
Según decreto (D.S. 146; 31/10 de 2002) los excesos de aire máximos
permitidos para todos los combustibles:
a.- Petróleo Diesel y Kerosene: 20 % AExc.
b.- GLP, GN, GC = 10 % AExc.
Por lo tanto podemos calcular el CO corregido, correspondiente a la
emisión de CO a nivel del hogar, es decir el que realmente se produce:
CO corregido = Fc · CO medido
(3-33) Si el CO corregido está comprendido entre:
a.- 0 y 400 ppm ………….Aceptable (sello verde)
b.- 401 y 1000 ppm ……... Reparación (sello amarillo)
c.- Superior a 1000 ……… Rechazado (sello rojo)
3.5.2 Calidad de una Combustión.
La calidad de una combustión se determina por el porcentaje de CO2
desprendido durante el proceso. La combustión perfecta o ideal, donde el CO2
desprendido (en masa) será el CO2 máximo teórico, lo cual vendrá
caracterizado para cada combustible de acuerdo a su composición centesimal y
para un λ = 1.
El porcentaje de CO2 máximo que tienen los humos, podrá ser medido en
base seca o en base húmeda.
(3-34)
CO2máx.T = λ · CO2 máx.R
(3-35)
Por lo tanto, existirán dos tipos de rendimiento que ocupan al CO2 en su
definición. Al respecto se tiene:
CO2 máx.T = es el valor del CO2 máximo obtenido al quemar
estequiométricamente el combustible, es decir, sin exceso de aire.
CO2 máx.R = es el valor del CO2 máximo obtenido al quemar el
combustible con aire en exceso, es decir, con Aire real, tal como ocurre en los
procesos industriales.
CO2 med. = es el % CO2 medido en el puerto de muestreo a las
condiciones de operación de la fuente.
1)(máx.T2CO
med.2CO*100combustiónladeoRendimient
===
ληc
(3-36)
1)máx.R2CO
med.2CO*100quemadodeoRendimient
>==
λη
(q
(3-37) Si hacemos el cuociente entre ellos tendremos:
)KgCb/COm(GES)Cb/Kg/COm(100*)12/C(*2445.0)asec.b(CO%
23
23
T.máx2 =
ληη 1
máx.T2CO
máx.R2CO
qc
quemadodeoRendimientcombustióndeoRendimient
===
(3-38)
(3-39) 3.6. Ecuación del Método del Rendimiento Directo
El Rendimiento se define como el cociente entre el calor aprovechado
(agua caliente) y el calor cedido por el combustible, ecuación (3 - 40).
cb cedido q
oaprovechad q=η (3 – 40)
Donde el calor aprovechado o absorbido por el agua que se debe expresar en
(Kcal/hr), corresponde a:
( )[ ]CºTT*C*ºL
KcalCp*minLCCdoqaprovecha EntradaSalidaAguaAgua −
=
(3 – 41)
Y el calor cedido por el combustible que se debe expresar en (Kcal/hr),
corresponde a:
=
Lm
10001*
mKcalPCI*
minLCCqcedido
3
3ovolumétricgas
(3 – 42)
ηq = ηc * λ
Donde:
AguaCC : Caudal volumétrico de agua en (L / min).
=
C*ºltKcalCp 1 : Calor específico del agua en condiciones normales.
SalidaT : Temperatura de salida del agua caliente en grados Celsius.
EntradaT : Temperatura de entrada del agua fría en grados Celsius.
GasCC : Caudal Volumétrico del combustible gaseoso en [L / min].
oVolumétricPCI : Poder calorífico inferior del combustible en [Kcal / m3N].
3.7. Descripción de Efectos e Impacto Ambiental
Cuando se habla de contaminación, es frecuente pensar en el agua, el
aire o el suelo; sin embargo, muy pocas veces se tiene en cuenta la que puede
originarse dentro de nuestros propios hogares, los estudios realizados en los
últimos años demuestran que el contacto que tienen las personas en el interior
de sus viviendas, con sustancias toxicas, es muy superior que fuera de ellas.
El mal funcionamiento de cocinas, estufas y calefones o la instalación
inadecuada pude ser perjudicial para la salud de las personas. Además la
contaminación intradomiciliaria es uno de los factores que se suma al aumento
de la contaminación atmosférica.
Los calentadores instantáneos de agua (calefón) emiten gases de
escapes producto de la combustión que permite su funcionamiento, dentro de
estos gases se puede encontrar:
3.7.1. Monóxido de Carbono
El monóxido de carbono es un gas tóxico, incoloro, prácticamente
inodoro, sin sabor y sin capacidad irritante, por estas razones es imperceptible
para el ser humano sin la utilización de equipos especiales.
Se forma a partir del quemado incompleto de combustibles sólidos,
líquidos y gaseosos, en condiciones de mala ventilación.
Donde se encuentra Monóxido de Carbono
El CO se produce cuando se queman materiales combustibles como el
gas, gasolina, Kerosene, carbón, petróleo o madera. Las chimeneas, las
calderas, los calefón y los aparatos domésticos que queman combustibles
fósiles o derivados del petróleo, producen CO y más aún si no están
adecuadamente carbonadas. Los automóviles detenidos con el motor
encendido también despiden CO.
Efectos del Monóxido de Carbono en la Salud
El CO reduce la cantidad de oxígeno que llega al cerebro, corazón y
resto del cuerpo.
Cada ser viviente necesita oxígeno para vivir y por medio de la
respiración el oxígeno llega al interior del cuerpo humano. Cuando una persona
inhala (respira) el aire que llega a los pulmones. Dentro de los pulmones, el
oxígeno viaja del aire a la sangre por medio de una molécula especial de
transporte; la hemoglobina, que se encarga de tomar oxígeno y de entregarlo a
todo el cuerpo. Si hay altos niveles de CO en el aire, entonces el oxígeno no es
repartido.
La hemoglobina pude repartir oxígeno o monóxido de carbono (CO).
Cuando una persona respira aire que contiene CO, este desplaza al oxígeno y
toma su lugar, pues el CO tiene mucha más afinidad con la hemoglobina que
con el oxígeno. La hemoglobina toma el CO y lo reparte en lugar de oxígeno.
Esto significa que cuando el CO está presente, la hemoglobina entrega menos
oxígeno al cuerpo.
El cerebro y el corazón necesitan mucho oxígeno y no funcionan
normalmente cuando una persona respira CO. Si alguien se expone a altos
niveles de CO, puede experimentar dificultades al respirar o ligeros dolores de
cabeza. Los síntomas se intensificarán si la persona está haciendo ejercicio o
tiene el corazón y los pulmones débiles. La exposición con el monóxido de
carbono (CO) pude llegar a causar la muerte.
Los efectos del Monóxido de Carbono depende de:
1.- La Concentración del gas
2.- Tiempo de exposición
3.- Ritmo respiratorio, que a su vez, queda determinado por el tipo de actividad
que esta realizando el individuo expuesto.
4.- Temperatura y humedad relativa, ya que estos factores inciden sobre la
circulación sanguínea.
Es difícil hallar una expresión cuantitativa que contemple todos estos
factores, la siguiente expresión puede tomarse como referencia dentro de
límites razonables:
P = C X T
(3-43) Donde:
P: Valor Numérico que expresa el efecto fisiológico sobre el individuo en
inactividad.
C: concentración de Monóxido de Carbono en partes por millón.
T: Tiempo de exposición expresado en horas.
De acuerdo con esta expresión se tiene:
Tabla III-8 Efectos del Monóxido de Carbono según P
P(ppm/hr) Efectos
3 No se perciben efectos
6 Comienzan a manifestarse efectos
9 Aparecen cefaleas y Vómitos
15 Exposición Peligrosa
Estos valores varían según la actividad que ejecute el individuo expuesto,
ya que en la expresión se considera la concentración del gas y el tiempo de
exposición solamente. En relación a los valores que diversos estudios señalan
sobre el efecto tóxico del Monóxido de Carbono y su concentración en el aire
son por lo general coincidentes, en la tabla siguiente se observan tales valores.
Tabla III-9 Efectos del CO por Concentración en el aire
Partes de CO por metro cúbico de aire (ppm)
Efecto
100 Tolerable durante varias horas
400-500 Inhalado durante 1 hora sin apreciable efecto
Partes de CO por metro cúbico de aire (ppm)
Efecto
600-700 Apreciables efectos, si se inhala durante 1 hora
1000-1200 Efectos desagradables si se inhala
1500-2000 Peligroso si se inhala durante 1 hora
Más de 4000 Fatal en menos de 1 hora de Exposición
En el siguiente gráfico se observan los efectos del Monóxido de Carbono
sobre el organismo humano de acuerdo a la concentración en el aire y tiempo
de exposición.
Figura 3-13: Efectos del monóxido de carbono en el ser humano 3.7.2. Dióxido de Carbono o Anhídrido de Carbono (CO2)
El dióxido de carbono es un gas inodoro e incoloro, ligeramente ácido y
no inflamable. El dióxido de carbono se encuentra principalmente en el aire,
pero también en el agua formando parte del ciclo del carbono El aumento del
CO2 en la atmósfera se debe a la quema de combustibles fósiles por parte del
hombre.
Efectos del Dióxido de Carbono en la Salud
El dióxido de carbono es esencial para la respiración interna en el cuerpo
humano. La respiración interna es un proceso por el cual el oxígeno es
transportado a los tejidos corporales y el dióxido de carbono es tomado de ellos
y transportado al exterior. El dióxido de carbono es un guardián del pH de la
sangre, lo cual es esencial para sobrevivir. El sistema regulador en el cual el
dióxido de carbono juega un papel importante es el llamado tampón carbonato.
Consiste en iones bicarbonato (HCO3-) y dióxido de carbono disuelto, con ácido
carbónico. El ácido carbónico neutraliza los iones hidroxilo, lo que hará
aumentar el pH de la sangre cuando sea añadido. El ión bicarbonato neutraliza
los protones, lo que provocará una disminución del pH de la sangre cuando sea
añadido. Tanto el incremento como la disminución del pH son una amenaza
para la vida.
Aparte de ser un tampón esencial en el cuerpo humano, también se sabe
que el dióxido de carbono tiene efectos sobre la salud cuando la concentración
supera un cierto límite.
Si el dióxido de carbono es inhalado; produce asfixia, causa
hiperventilación. La exposición a largo plazo es peligrosa, puede causar daños
renales o coma, causado por una alteración en el equilibrio químico del tampón
carbonato. Cuando la concentración del CO2 aumenta o disminuye.
Impacto sobre el medio ambiente
El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero que
contribuye a que la Tierra tenga una temperatura habitable, siempre y cuando
se mantenga en unas cantidades determinadas. Sin dióxido de carbono, la
Tierra sería un bloque de hielo. Por otro lado, un exceso impide la salida de
calor al espacio y provoca un calentamiento excesivo del planeta, fenómeno
conocido como efecto invernadero.
3.7.3. Óxidos de Nitrógeno (NOx)
Los óxidos de nitrógeno son una mezcla de gases compuestos de
nitrógeno y oxigeno. El monóxido de nitrógeno y el dióxido de nitrógeno
constituyen dos de los óxidos de nitrógeno más importante toxicologicamente;
ninguno de los dos son inflamables y son incoloros a café amarillento en
apariencia, a temperatura ambiente. El monóxido de nitrógeno es un gas de olor
dulce penetrante a temperatura ambiente, mientras que el dióxido de nitrógeno
tiene un fuerte olor desagradable.
Los óxidos de nitrógeno son degradados rápidamente en la atmósfera al
reaccionar con otras sustancias comúnmente presentes en el aire. La reacción
del dióxido de nitrógeno con sustancias químicas producidas por la luz solar
lleva a la formación de acido nítrico, el principal constituyente de la lluvia acida.
El dióxido de nitrógeno reacciona con la luz solar, lo cual lleva a la formación de
ozono y smog en el aire.
Efectos de los Óxidos Nitrógeno (NOx) en la Salud
El óxido de nitrógeno (NO) se oxida, formando dióxido de nitrógeno
cuando entra en contacto con el aire (NO2). Por ello, la intoxicación por gases
nitrosos se debe, principalmente, al dióxido de nitrógeno y produce trastornos
no menores en la salud como los siguientes:
• Irritación de la piel y mucosas.
• Penetra los alvéolos.
• Aumento del metabolismo antioxidante.
• Daño celular en el pulmón.
• La formación de ácido nitroso/nítrico en el tejido pulmonar daña las
paredes capilares, causando edema luego de un período de latencia de
2-24 horas. Los síntomas típicos de la intoxicación aguda son ardor y
lagrimeo de los ojos, tos, disnea y finalmente, la muerte.
• El dióxido de nitrógeno es un oxidante que unido a la hemoglobina
produce metahemoglobina y que en concentraciones altas causa
bronquiolitis obliterante, fibrosis bronquiolar y efisema.
Impacto sobre el medio ambiente
Un elemento de la familia de los óxidos de nitrógenos, el oxido nitroso
produce un acaparamiento de gas invernadero. Se acumula en la atmósfera con
otros gases invernaderos causando gradualmente un incremento de la
temperatura en la tierra. Produciendo daños en el hombre, el aumento de los
niveles de los mares, cambios adversos en las plantas y animales.
En el aire el NOx puede reaccionar con otros químicos orgánicos,
formando productos tóxicos, los cuales pueden producir mutaciones biológicas.
El NOx y el SOx reaccionan con otras sustancias en el aire formando ácidos,
los cuales caen a la tierra, como lluvia, bruma, nieve o partículas secas. Puede
ser transportado por el viento por ciento de kilómetros. La lluvia ácida daña los
bosques, causa deterioro en casas, edificios, y monumentos; y causa en lagos y
esteros niveles altos de acidez los cuales no permiten la existencia de vida para
muchos peces.
3.8. Modelo Matemático de Balance y Energía. 3.8.1Balance estequiométrico:
De la ecuación química (3-44), se obtiene la relación en moles en que
reaccionan los reactivos (combustible y comburente) y se obtienen los
productos
oductoPrcebComburentleaCombustib →+
(3-44)
Realizando el balance estequiométrico de las ecuación (3-44)
Donde:
Mmolarmasa)molesºn(n =
(3-45)
Suponiendo que el combustible (Cb) contiene C (Kg de Carbono/Kg de
Combustible).
coductoPrn
benComburent
alenCombustib
==
C + O2 → CO2
(3-4)
De la reacción química del Carbono, se puede observar que un kilomol
de carbono reacciona con un kilomol de oxígeno, obteniendo como producto un
kilomol de CO2. Luego realizando el balance estequiométrico de la ecuación (3-
4), se obtiene la siguiente expresión:
( )[ ] [ ] [ ][ ] C*
)C(Kg12)O(Kg32)C(O
)O(Kilomol1)O(Kmol)O(Kg32
O
)C(Kilomol1)C(KmolCkg12
C
22
2
22
2
=⇒
=
(3-46)
Esto significa que para combustionar totalmente el carbono contenido en
un kilogramo de combustible se necesita 32*(C/12)Kg de oxígeno.
De forma similar, si H es el porcentaje de Hidrógeno contenido en el
combustible, entonces la cantidad de oxígeno necesario para combustionar
todo el hidrógeno será:
2H· + 0,5 O2 → H2O (3-8)
[ ][ ] H*
)H(kg4)O(kg32)H(O 2
2
=
(3-47)
Así basados en el contenido de azufre (S), nitrógeno (N) y oxígeno (O)
en el combustible, las reacciones de combustión para azufre, nitrógeno y
oxígeno se puede representar por las siguientes ecuaciones:
Reacción del azufre: S· + O2 → SO2
(3-10)
[ ][ ] S*
)S(kg32)O(kg32)S(O 2
2
=
(3-48) Reacción del oxigeno: O· +0,5 O2 → O2
(3-12)
[ ][ ]
OOkg
OkgOO *)(
216
)(32)( 22
=
(3-49) Paral nitrógeno: N· + O2 → NO2
(3-11)
[ ][ ] N*
)N(kg)O(kg)N(O
=
1432 2
2
(3-50) Se puede obtener entonces la ecuación general para el Oxígeno
Estequiométrico o Teórico (Oest).
(3-51)
(3-52) Como el aire en base seca contiene 23,15% masa de oxígeno, se puede
determinar el aire estequiométrico necesario para combustionar el combustible
(Cb).
[ ]KgCb/KgO8O
14N
4H
32S
12C32estO 2)m(
−+++=
)O(O)N(O)H(O)S(O)C(OestO 22222)m( −+++=
Oest15,23
100estAOest%100estA%15,23 )m()m( =⇒=
(3-53)
Donde:
A(m)est: Masa de aire estequiométrica que se consume.
O(m)est: Masa de oxigeno estequiométrico que se consume.
[ ]eCombustibldeKgairedeKg8O
4H
32S
12C23,138estA )m(
−++=
(3-54)
3.8.2. Volumen de aire estequiométrico
Se ha calculado la cantidad de masa de aire estequiométrico por unidad
de masa de combustible necesaria para consumir el combustible, pero otra
variable importante es la cantidad en volumen de aire estequiométrico por
unidad de masa de combustible necesaria para que se produzca la combustión
ideal.
Para el Organismo Fiscalizador Chileno, las condiciones estándar son a
25ºC y 1,0 atm. Por lo tanto, el volumen molar de la mezcla será:
Vm=)L(1000
)m(1*)Kmol(1
)mol(1000*atm1
Kº16,298*)Kºmol/L·atm(082,0PT·R 3
= =24,45(m3/Kmol)
(3 – 3)
Luego el volumen de aire estequiométrico esta dado por:
=
aire
)m(
MestA
*VV
(3-55)
Donde Peso molecular del aire:
=
airedeKmolairedeKgM aire 29
(3-56)
Reemplazando:
−++
=
aireKmolairekg29
CbdeKgaireKg
8O
4H
32S
12C23,138
*KmolM466,24V
3
−++=⇒
CbdeKgaireM
8O
4H
32S
12C6,116V
3
(3-57)
Donde:
P : Presión [atm].
V : Volumen [m3].
n : Número de moles [Kmol].
R : Constante Universal de los Gases Ideales atm1
)Kºmol/L·atm(082,0.
T : Temperatura Kº,16298 .
V : Volumen Molar [m3/Kmol].
aireM : Peso molecular del aire [Kg/ Kmol].
3.8.3. Gases producto de la combustión
Cuando la combustión es completa y conocido el contenido de carbono
en el combustible, se puede evaluar el dióxido de carbono máximo desprendido
de la combustión. A partir de la siguiente ecuación: oductoPrcebComburentleaCombustib →+
(3-44)
Realizando el balance estequiométrico de las ecuación (3-44)
Donde:
Mmolarmasa)molesºn(n =
(3-45)
Se analiza la reacción del Carbono con el comburente (Oxigeno), el cual se
obtiene como producto dióxido de carbono.
C +O2 → CO2 (3-4)
c)CO(n
b)O(n
a)C(n 22 ==
(3-58)
Donde:
a= 1, b= 1, c= 1
Reemplazando:
coductoPrn
benComburent
alenCombustib
==
( )[ ] [ ] [ ][ ] C*
)C(Kg12)CO(Kg44mCO
)CO(Kilomol1)CO(Kmol)CO(Kg44
)CO(m
)C(Kilomol1)C(KmolCkg12
C
22
2
22
2
=⇒
=
Basados en la misma ecuación anterior y la cantidad de azufre contenido
en el combustible, se puede determinar estequiométricamente la cantidad de
dióxido de azufre producido:
S· + O2 → SO2
(3-10)
[ ][ ] S*
)S(kg32)SO(kg64)SO(m 2
2
=
(3-59)
Basados en la misma ecuación anterior, se puede determinar
estequiométricamente la cantidad de agua (vapor) que se formaría durante la
combustión completa del H contenido en el combustible:
2H· + 0,5 O2 → H2O
(3-9)
[ ][ ] H*
)H(kg2)OH(kg18)HO(m 2
2
=
(3-60)
El cálculo de agua gaseosa (vapor de agua) evacuada en los gases de
escape, se debe considerar el agua producida por la reacción entre el oxigeno y
la cantidad de hidrógeno contenida en el combustible y la cantidad de agua
propia de cada combustible (humedad).
Por lo tanto:
Cantidad de agua producto de los gases de escape teórico:
[ ][ ] w
HKgOHKgOHm +
=
)(2)(18)( 2
2
(3-61)
Donde w es la humedad del combustible.
El principal compuesto de los gases de escape es le nitrógeno, aportado
por el aire que participa en la combustión y en menor cantidad el que es
producido por la reacción entre el oxigeno y el nitrógeno presente en el
combustible, que por su reducido valor es despreciable.
Se sabe que el 76,85% de aire seco en masa, corresponde a nitrógeno
(N2), por lo que teóricamente el nitrógeno que se evacua en los gases de
escape, esta dado por:
estA*7685,0)Nest(m )m(=
(3-62)
Dado a que se considera combustión ideal no hay emisión de CO, NOx, H2:
++
+
+
=
CbdeKgKgAest*7685,0wH*
216S*
3264C*
1244GE *
)m(
(3-63)
Volumen estequiométrico de gases producto de la combustión
Los productos de esta reacción son todos gaseosos y emergen desde la
cámara de humos a alta temperatura y bajas presiones, lo que significa que los
gases de escape se comportan como ideales.
Para el Organismo Fiscalizador Chileno, las condiciones estándar son a
25ºC y 1,0 atm. Por lo tanto, el volumen molar de la mezcla será
=
Kmolm45,24V
3
(3-3)
Donde Volumen está dado por:
=Mm*VV
(3-64)
Luego Volumen de Dióxido de Carbono:
=
)C(KgmC*
1245,24)CO(V
3
2
(3-65)
Volumen de Dióxido de Azufre:
=
)S(KgmS*
3246,24)SO(V
3
2
(3-66)
Volumen de Agua
+
=)OH(Kg
m18
wH*2
18
*46,24)OH(V2
3
2
(3-67)
Se sabe que volumétricamente y en base seca el aire está formado por
un 21% de Oxígeno y un 79% de Nitrógeno, por lo tanto se puede conocer la
cantidad de Nitrógeno aportado por el aire de combustión, el cual saca calor
sensible del hogar de la fuente.
N(V) est = 0,79 x Aest
(3-19)
La suma de estos productos, entrega los gases de escape
estequiométricos húmedos, que abandonan la cámara de humos (GEH).
+
+++=
eCombustiblKgmAest*79,0
18w
2H
32S
12C*46,24GEH
3
)V(
(3-68)
Puesto que la humedad es sensiblemente variable, los Organismos
Internacionales prefieren referir los cálculos de combustión a base seca. Por lo
tanto se debe restar la producción de agua.
GES = GEH - 24,46 * ((H / 2)+ (w/18)) (m3 / kg. Cb)
(3-69)
3.8.4. Exceso de aire
Con el propósito de mantener encendida la llama en el hogar, es
necesario adicionar una cantidad de aire mayor que la teórica. Esta relación
entre el Aire Real que ingresa a la combustión con respecto al Aire Teórico
puede ser en masa o en volumen.
Relación de aire:
Relación de aire λ = iométricoAireEstequ
alReAire
(3-23)
Relación de aire con Parámetro Oxigeno Medido:
m2O2121−
=λ
(3-70)
Donde:
21: representa el porcentaje de oxigeno presente en el aire.
21-O2m: representa el porcentaje de oxigeno que interviene en la combustión.
O2m: representa el porcentaje de oxigeno que no interviene en la combustión y
es el oxigeno medido en el puerto de muestreo.
El aire en exceso se pondera por la expresión llamada "Relación de Aire λ "
A exceso = Areal - Aest
A exceso = λ*Aest - Aest
A exceso = Aest * (λ - 1)
3.8.5. Determinación de Condición Real de Combustión
Una vez obtenida la relación el de aire, se pueden calcular parámetros de
combustión más próximos a la realidad.
Gases de Escape Producto de la Combustión
Entonces, los gases reales húmedos los podemos considerar como:
GRH = GEH + Aire exceso
(3-24)
Volumen de los Gases Secos Producto de La Combustión
A modo de satisfacer las normativas internacionales, que recomiendan
referir la medida en base seca, es necesario referir los resultados a los Gases
Reales Secos (GRS), conocidos también como Volumen Específico.
(3-25)
3.8.5. Balance Energético y Rendimiento Indirecto.
En todo proceso hay aportes, pérdidas y aprovechamiento de energía en
el sistema, para poder relacionar todas esas variables se debe realizar un
balance energético al sistema, (ver figura 3-14)
Esquema de balance energético
Aest*)1(GESGRS −λ+=
Figura 3-14: Esquema de balance energético
La energía total del sistema esta dada por la suma entre la energía
aprovechada y las pérdidas de energía en el sistema.
LHI EEE +=
(3-71)
Donde:
IE : Energía de entrada o aportada al sistema.
HE : Energía aprovechada por el sistema.
LE : Energía perdida.
3.8.6. Ecuación Rendimiento Indirecto
Para el caso del rendimiento indirecto relaciona las pérdidas de calor con
los aportes energéticos ecuación (3-73).
QcedidodoQaprovecha
=η
(3-72)
Sistema de Estudio
EI
EH
EL
Donde:
q cedido= q aprovechado + Perdidas
(3-73)
Luego:
aportado o cedido qPerdidas
−=η 1
(3-74)
Donde las pérdidas corresponden a la suma de los calores perdidos por
los gases sensibles secos, gases húmedos y calor por combustión parcial. Para
casos prácticos se considera la pérdida de calor por las fronteras del calefón
(sistema en estudio) despreciable.
1.- Calor Cedido o Aportado
Se debe cuantificar la energía entrante (calor cedido o aportado) al
sistema en estudio. Existen varias fuentes de aporte energético al sistema
Capacidad de calor que puede entregar el combustible: Esta Capacidad de Calor que puede Entregar el Combustible,
corresponde al Poder Calorífico Superior (PCS) o al Poder Calorífico Inferior
(PCI) del combustible, según sea la situación. Si se usa el Poder Calorífico
Superior, se denomina al calor total aportado como “Calor Fornecido”; y si se
usa el Poder Calorífico Inferior, se denomina “Calor Disponible”.
Calor Fornecido:
( )hvp*warharrealAhcbPCSqf )m( ∆+∆+∆+=
(3-75)
Calor Disponible:
( )hvp*warharrealAhcbPCIqd )m( ∆+∆+∆+=
(3-76)
Donde:
qf : Calor fornecido
ecombustibldeKg
KJ
qd : Calor disponible
ecombustibldeKg
KJ
PCS : Poder Calorífico Superior
ecombustibldeKg
KJ
PCI: Poder Calorífico Inferior
ecombustibldeKg
KJ
hcb∆ : Entalpía del combustible, (para el caso si este ha recibido aporte
energético)
ecombustibldeKg
KJ
realA )m( : Masa de aire real de aire
ecombustibldeKg
aireKg
har∆ : Entalpía del aire evaluada a temperatura ambiente
airedeKg
KJ
war : Humedad Específica o absoluta del Aire
airedeKg
aguadeKg
hvp∆ : Entalpía del vapor de agua evaluada a temperatura
ambiente
aguadeKg
KJ
Aporte energético hacia el combustible:
En algunos casos los combustibles deben recibir un aporte energético
adicional, pues esto es para tener un mejor consumo de este combustible. Tal
es el caso de los Fuel Oil Nº 5 y Nº 6, pues estos en condiciones ambientales
normales son muy viscosos y deben recibir calor para que sean menos
viscosos.
Aporte energético entregado por el medio:
Este aporte energético, para el caso del presente trabajo, corresponde al
aire atmosférico presente en el recinto en el cual se han realizado las
mediciones. El aire atmosférico aporta energía debido al calor entregado por el
aire seco y otro aporte energético debido a la humedad del aire.
2.- Energía Pérdida (Perdidas)
En todo sistema existen perdidas de energía, en el caso de los
calentadores instantáneos de agua (calefones); se traduce en pérdidas de calor
principalmente a través de los gases de escape (secos y húmedos) producto de
la combustión. Se desprecia el calor perdido por las paredes.
Pérdida de calor sensible por los gases secos producto de la combustión:
Son la perdida de calor a través de los gases producto de la combustión
como son CO2, SO2, N2 proveniente del aire y del combustible y por exceso de
aire.
Flujo de perdida calor sensible por los gases secos
)qSOqOqNqCO(cbmgsq 2222 +++= &&
(3-77)
Perdida calor sensible por los gases secos
)qSOqOqNqCO(qgs 2222 +++=
(3-78)
Calor perdido por el dióxido de carbono:
22 hCO*C*1244qCO ∆=
(3-79)
Calor perdido por el dióxido de azufre:
22 hSO*S*3264qSO ∆=
(3-80)
Calor perdido por el nitrógeno:
( ) 2)m(2 hNNrealA*7685,0qN ∆+=
(3-81)
Calor perdido por el exceso de aire:
haire*estA*)1(q )m( ∆−λ=
(3-82)
Perdida de calor sensible total por los gases secos:
( ) haire*estA*)1(hN*NrealA*7685,0hSO*S*3264hCO*C*
1244qgs )m(2)m(22 ∆−λ+∆++∆
+∆
=
(3-83)
Donde:
gsq& : Flujo de Pérdida de Calor Sensible Total por los Gases Secos [ ]Kw .
qgs : Pérdida de Calor Sensible Total por los Gases Secos, por unidad de flujo
másico de combustible
ecombustibldeKg
KJ .
cbm& : Flujo másico de combustible
sKg .
2qCO : Calor Perdido por el Dióxido de Carbono
2COKgKJ .
2qSO : Calor Perdido por el Dióxido de Azufre
2SOKgKJ .
2qN : Calor Perdido por el Nitrógeno
2NdeKgKJ .
2qO : Calor Perdido por el Oxigeno
2OKgKJ .
q : Calor Perdido por el Exceso de Aire
airedeKg
KJ .
C : Cantidad de Carbono presente en el combustible
ecombustibldeKg
CarbonodeKg
S : Cantidad de Azufre presente en el combustible
ecombustibldeKg
azufredeKg
estA )m( : Masa de aire estequiométrica en la combustión
ecombustibldeKg
airedeKg
N: Cantidad de Nitrógeno presente en el combustible
ecombustibldeKg
NitrógenodeKg
λ : Relación de aire
2hCO∆ : Entalpía Dióxido de Carbono evaluada a temperatura de los
humos
2COKgKJ
2hSO∆ : Entalpía Dióxido de Azufre evaluada a temperatura de los
humos
2SOKgKJ
2hN∆ : Entalpía Nitrógeno evaluada a temperatura de los humos
2NKgKJ
har∆ : Entalpía del aire evaluada a temperatura de los humos
airedeKg
KJ
Pérdida de calor sensible por los gases húmedos producto de la combustión:
Son los gases producto de la combustión provenientes del hidrógeno
presente en el combustible que reacciona con el oxigeno para producir agua, la
humedad proveniente del combustible y la humedad proveniente del aire.
Se debe señalar además, que si se usa el Poder Calorífico Inferior no
debe considerarse el parámetro de entalpía de condensación del agua, pues ya
se ha considerado dicha perdida al usar el Poder Calorífico Inferior. Y si se usa
el Poder Calorífico Superior se debe sumar la entalpía de condensación en la
perdida de calor sensible por los gases húmedos de escape.
Flujo gases húmedos:
( )qarqwqhcbmvq ++= &&
(3-84)
Gases húmedos
( )qarqwqhqv ++=
(3-85)
Calor perdido por el hidrogeno
hv*H*9qh ∆=
(3-86)
Calor perdido por la humedad del combustible
hv*wqw ∆=
(3-87)
Calor perdido por la humedad del aire
hv*realA*e*warqar )m( ∆=
(3-88)
Calor perdido por los gases húmedos considerando condensación de los gases
( ) hv*realA*e*warwH*9qv )m( ∆++=
(3-89)
Calor perdido por la no condensación del agua gaseosa
)*9(*2440 wH +
(3-90)
Calor total perdido por los gases húmedos considerando no
condensación del agua gaseosa producto de la combustión, usando en el
balance energético con PCS.
( ) )wH*9(*2440hv*realA**warwH*9qv )m( ++∆λ++=
(3-91)
Si se usa el PCI en las ecuaciones de balance energético la ecuación queda.
( ) hv*estA*e*warwH*9qv )m( ∆++=
(3-92)
Donde:
vq& : Flujo de Pérdida de Calor Sensible Total por los Gases Húmedos [ ]Kw .
qv : Pérdida de Calor Sensible Total por los Gases Húmedos
ecombustibldeKg
KJ
cbm& : Flujo másico de combustible
sKg .
qh : Calor Perdido por el Hidrogeno Proveniente del Combustible
HidrógenodeKgKJ
qw : Calor Perdido por la Humedad del Combustible
aguadeKg
KJ
qar : Calor Perdido por la Humedad del Aire
airedeKg
KJ
H: Cantidad de Hidrógeno presente en el combustible
ecombustibldeKg
HidrógenodeKg
w : Humedad del combustible
ecombustibldeKg
aguadeKg .
war : Humedad específica o absoluta del aire
airedeKg
aguadeKg .
λ : Relación de aire
estA )m( : Masa de aire
ecombustibldeKg
airedeKg
hv∆ : Entalpía del agua evaluada a Temperatura de los gases de
escape
aguadeKg
KJ .
Pérdida de calor por combustión parcial:
Es la perdida de calor por carbono no quemado y monóxido de carbono.
Flujo de pérdida de calor por combustión parcial:
)qcoqcnq(cbmcpq += &&
(3-93)
Pérdida de calor por combustión parcial: qcoqcnqqcp +=
(3-94)
Pérdida de calor por carbono no quemado:
)hc33900(Cnqqcnq ∆+=
(3-95)
Pérdida de calor por monóxido de carbono:
COm%*Vgs*126qco =
(3-96)
Pérdida de calor por combustión parcial:
COm%*Vgs*126)hc33900(Cnqqcp +∆+=
(3-97)
Donde:
cpq& : Flujo de Pérdida de Calor por Combustión Parcial [ ]Kw .
qcp : Pérdida de Calor por Combustión Parcial, por unidad de flujo másico de
combustible
ecombustibldeKg
KJ .
cbm& : Flujo de Combustible
sKg .
qcnq: Calor Perdido por Carbono no Quemado
ecombustibldeKg
KJ .
qco : Calor Perdido por Monóxido de Carbono
ecombustibldeKg
KJ .
Cnq: Carbono no quemado.
hc∆ : Entalpía del Carbono no quemado a la Temperatura de los gases de
escape
carbonodeKgKJ .
Vgs : Volumen de gases de escape producto de la
combustión
ecombustibldekg
ossecgasesm3
.
COm% : Porcentaje de Monóxido de carbono Medido.
Entalpía específica de los gases producto de la combustión y el aire
Estas entalpías permiten obtener los calores perdidos por los humos,
pues son polinomios obtenidos a presión ambiente de una atmósfera, los cuales
han sido obtenidos en forma experimental.
Entalpía específica del dióxido de carbono
( )
−+−+−=∆ −
To1
T1*10*864,1ToT*10*302,1)ToT(*983,0hCO 4224
2
(3-98)
Entalpía específica del dióxido de azufre
( )2242 ToT*10*719,1)ToT(*503,0hSO −+−=∆ −
(3-99)
Entalpía específica del nitrógeno
( )2242 ToT*10*746,0)ToT(*971,0hN −+−=∆ −
(3-100)
Entalpía específica del aire seco
( )224 ToT*10*765,0)ToT(*948,0har −+−=∆ −
(3-101)
Entalpía específica del agua
( ) ( )336224 ToT*10*104,0ToT*10*172,0)ToT(*910,1hv −+−+−=∆ −−
(3-102)
Donde:
T : Temperatura de los Gases Producto de la Combustión en grados Kelvin [ºK].
To : Temperatura de Referencia, 273,16 ºK.
Humedad absoluta del aire húmedo
Según Miranda Barreras, Luís Ángel [1] En una masa m de aire húmedo
se tiene ma masa de aire seco y mw masa de agua, en estado de vapor o de
líquido en suspensión; la humedad absoluta, W, denominada también humedad
específica, se define como la relación:
a
w
mmW =
(3-103)
Húmeda Relativa
El vapor de agua presente en el aire húmedo tiene una presión parcial
determinada, pw. A la misma temperatura, si el aire estuviese saturado de humedad, se tendría otra presión parcial, pws. El cuociente entre la primera y la
segunda presión recibe el nombre de humedad relativa, ver ecuación
ws
w
pp
=ϕ
(3-104)
Si se considera una masa m de aire a presión P y temperatura t, que
estará constituido por una parte de aire seco, ma, y otra de vapor de agua, mw,
es evidente que:
wa mmm +=
(3-105)
Si se llama pa a la presión parcial del aire seco y pw a la del vapor de agua, se
cumplirá:
wa ppP +=
(3-106)
Aplicando a las dos componentes aire y agua, la ecuación de gases ideales se
tiene:
T*R*mV*p aaa = y T*R*mV*p www =
(3-107) (3-108)
Donde V es el volumen correspondiente a la masa m. Dividiendo las ecuaciones
(3-107) y (3-108) se tiene:
aa
ww
a
w
R*mR*m
pp
=
(3-109)
Relacionando ecuación (3-107) y (3-108) con (3-109) se tiene:
w
w
pPp62198,0W−
=
(3-110)
Donde P es la presión atmosférica y pw es la presión de bulbo húmedo, el
cual se puede obtener con el siguiente polinomio, donde se relaciona la presión
de bulbo húmedo con la temperatura de ambiente.
5875,4T*3273,0T*0112,0T*0002,0T*10*2T*10*2pw 234658 +++++= −−
(3-111)
CAPITULO IV − DISEÑO DE ENSAYOS Y MEDICIÓN DE VARIABLES
ENERGÉTICAS Y AMBIENTALES.
4.1 Introducción
En este capítulo se tratarán las normativas que se estudiaron para llevar
a cabo el trabajo, la descripción del montaje que se realizó para la instalación
de los calefones.
Se describe detalladamente el procedimiento para tomar las mediciones
de los calefones operando con ambos gases combustibles (G.L.P. y G.N.) y los
instrumentos utilizados para ésto.
4.2 Normativas de medición de artefactos Para llebar a cabo este trabajo se utilizaron las siguientes Normas y
Decretos:
• NCh 1938 of. 85 “Artefacto de producción de agua caliente para uso
sanitario y combustibles gaseosos”.
• Decreto Supremo 322, 1994 SESMA: “ Condiciones de norma para
entrega de resultados y determinación de plena carga para la
determinación de las mediciones”.
• Decreto Supremo 58, Enero 2005: “Medición de monóxido de carbono en
equipos de combustión a gas”. Norma CH3-A. Min. Secretaria General
de la Republica de Chile.
• Decreto Supremo 222, 1996 Ministerio de Economía, Fomento y
Reconstrucción. “Instalación y métodos de prevención y riesgos para la
instalación de artefactos a gas”.
• Decreto 489, 31/10/2003 SEC. “Indica el procedimiento de la inspección
periódica de las instalaciones de gas en interiores de vivienda”.
• Decreto 146, 31/10/2002 Ministerio Secretaría de la Presidencia .
“Informa porcentaje máximo de aire en exceso de cada combustible”.
4.3 Descripción de Montajes de Equipos Domésticos.
Para llevar a cabo las mediciones que permitió realizar el análisis
comparativo energético y ambiental de calentadores instantáneos de agua
(calefones); operando con gas natural y gas licuado de petróleo, existieron tres
etapas de trabajo muy claramente definidas:
• Montaje.
• Mantención de los calefón.
• Medición.
Montaje Sala de Ensayo Para realizar las mediciones en los distintos calefones que se utilizaron,
fue necesario implementar un lugar que reuniera las condiciones para trabajar.
Se montó un atril provisto de las conexiones de agua (entrada y salida) y
gas, necesarias para el funcionamiento de los calefones (ver figura 4-1).
Figura 4-1: Instalaciones en Atril
Para llevar a cabo este propósito se utilizaron los siguientes materiales:
• Cañerías de cobre fabricadas según NCh 1644
• Uniones (codos)
• Soldaduras de estaño
• Flexibles
• Mangueras
• Abrazaderas
• Llaves de paso
Pero no solo se necesitó proveer de agua y gas, para realizar las
mediciones, también fue necesario instalar manómetros y termómetros que
permitieran registrar las presiones y temperaturas del agua, de entrada y de
salida. En el caso del gas hubo que instalar un regulador de presión y un
manómetro para registrar la presión de trabajo.
Mantención
Esta etapa de trabajo consiste en realizar una mantención exhaustiva a
cada uno de los componentes del calefón, para dejarlo operativo con gas
licuado de petróleo (G.L.P.) y poder tomar las medidas con dicho gas.
Una vez realizadas las mediciones con G.L.P. se debe realizar la
conversión de los calefón a gas natural, este es uno de los trabajos que se
deben efectuar con mucha precisión, el que consiste en:
• Se deben retirar los inyectores de G.L.P. y cambiarlos por los de gas
natural, estos tienen un diámetro mayor, como lo muestra la figura 4-2.
Figura 4-2: Inyectores de G.L.P. y G.N. Calculo del diámetro del inyector El consumo de un inyector se define con la siguiente expresión:
(3-108)
Donde:
C.C. = Consumo de combustible (CC= PC/PCS).
N= Número de inyectores.
Para calcular el diámetro de los inyectores se utiliza la siguiente expresión:
(3-109)
Donde:
105,3= constante de proporcionalidad
Ф = Diámetro del inyector (mm).
ρ = Densidad del combustible (gr/L) ó (Kg/m3).
P = Presión de servicio del gas combustible (mm.c.a.).
Procedimiento de Medición Circulación de agua por calefón
Se hace circular agua fría a través del serpentín del calefactor
instantáneo, como indica la figura (4-3), por aproximadamente 3min. Y durante
este proceso se regula el caudal de agua de acuerdo a la recomendación del
fabricante, los que podrían ser 5(L/min), 10(L/min) y 13(L/min). Luego se usa
una probeta de 1 litro (spyrox 1000 cm3; resolución 10 cm3) y se toma el tiempo
de llenado; esta operación se repite al menos cuatro veces para obtener el
caudal promedio.
N/.C.CCi =
5,0)Pcb/cb(Ci*3,105 ρ=φ
Figura 4-3: Circulación de Agua
Para regular el caudal con el cual se trabajará, se deben tomar algunas
precauciones, estas son:
• La llave de ingreso de agua debe estar totalmente abierta.
• El caudal de salida sólo se debe regular con el tornillo ubicado en la
válvula de agua.
Circulación de gas
Sin perder la regulación del caudal de agua, se deberá conectar el
artefacto a la red de gas. Entre el calefón y el gas se deberá instalar un medidor
de gas seco (Dry Gas Meter) como lo indica la figura 4-4.
Serpentín
Salida de Agua Entrada de Agua
Figura 4-4: Medidor de Gas Seco
Luego se debe determinar el consumo de combustible a plena carga
(consumo máximo de combustible especificado por la placa del artefacto), que
es la condición de referencia exigida por los organismos fiscalizadores (SESMA
D:S:322 de 1994), se deben tomar al menos cuatro medidas para obtener un
promedio de ellas.
Mediciones
Una vez regulado el caudal de agua y determinado el consumo de
combustible, se procede a tomar las mediciones de gases de escape; para esto
se utiliza un procedimiento que se estableció con anterioridad, que consiste en:
a) Encender el calefón.
b) Dejar termalizar el calefón, es decir, que tome el equilibrio dinámico (del
agua y gas) y el equilibrio térmico (de los gases de escape y agua
caliente), usando para ello los termómetros que se instalaron en el atril
que tomarán las medidas a la salida del agua y se verificarán con un
termómetro clínico. Para el caso de los gases de escape se tomarán sus
temperaturas con un termómetro de laboratorio químico de escala
adecuada (0-300ºC, resolución de 1ºC), que se instalará en el tubo de
salida de los gases.
c) Sin cambiar las condiciones descritas anteriormente, proceder a realizar
las mediciones con el equipo TESTO 350 XL, cada una siguiendo el
protocolo de la Normativa CH3A, (Ministerio Secretaría General de la
Republica de Chile) D.S. Nº58, de Enero del 2005.
• Se ubica la sonda en el sitio seleccionado (según D.S.489, de
31/10/2003), es decir, altura y posición dentro del ducto (para esto
se realizó una perforación en el ducto). La sonda deberá quedar lo
mas fija y horizontal posible.
• Una vez que los valores que entrega el equipo alcanzan una
estabilidad se registran manualmente en una planilla.
• Entre una medición y otra se deben esperar al menos 10 min.
d) Un dato necesario para los cálculos, es medir la velocidad de los gases
de escape utilizando un anemómetro, modelo Testo 451, de aire caliente
(resolución de 0.1 m/s), para esto se introduce en la perforación del tubo
de salida de los gases.
4.4 Descripción de Instrumentos de Medición. Testo 350-XL
El testo 350-XL es un sistema de medición portátil, flexible, adaptado a
muchas aplicaciones diferentes. El instrumento puede utilizarse para:
Todo tipo de hornos industriales, sistemas críticos (ej. durante una avería
o si no se han cumplido los valores límite), aplicaciones en las que el analizador
portátil se encuentra a varios metros del punto de muestreo (ej. grandes
calderas en centrales térmicas),
Medición simultánea de varias concentraciones de gas ej. en gas crudo y
puro durante un periodo prolongado de tiempo, controlar atmósferas en todo
tipo de hornos de procesos, incluso a elevadas concentraciones de gas,
mantenimiento de motores fijos, tales como, en centrales térmicas.
Controlar y ajustar las presiones y velocidades de los gases de combustión y
también en conductos de entrada de aire, medición de parámetros adicionales
tales como temperatura, humedad, corriente, voltaje, etc.
El Testo 350-XL es una versión adecuada del Testo 350-M, puede medir
parámetros como CO, CO2, H2, NO, NO2 y SO2.
El Testo 350-XL se puede utilizar simultáneamente es de funcionamiento
fácil y rápido con el visualizador con "Pantalla táctil", además se puede ampliar
el rango de medición disponible (opcional) para concentraciones extremas de
CO.
Pueden seleccionarse la sonda de gases de combustión adecuada para cada
aplicación, ej. sonda de gases de combustión hasta 1.800 °C,
Posee exactitudes muy elevadas en el rango de CO y NO bajo
(resolución 0.5 ppm) es de fácil utilización gracias a su reducido peso y tamaño
compacto,
puede utilizarse en condiciones extremas (ej. a –5 °C, 20 gr/m3 de polvo),
Figura 4-5: Testo 350-XL
4.5. Medición Energetica y Ambiental de Artefactos Domésticos. Se realizaron mediciones en cuatro calefones, operados con Gas Natural
y Gas Licuado de Pétroleo; por cada medición se llevaron a cabo cinco
ensayos, para poder obtener resultados suficientes para promediarlos.
4.5.1. Calefón Mademsa El calefón Mademsa corresponde a un calentador instantáneo de agua,
con capacidad de 5(L/min), que en primera instancia se operó con Gas Licuado
de Pétroleo y luego se realizó la conversión a gas natural para obtener las
medidas operando con éste.
Figura 4-6: Calefón Mademsa
Medición con Gas Licuado de Petróleo. Tabla 4-10: Regulación Caudal de Agua
Nº de Muestra
Volumen de Agua (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
12,09 4,96 11,80 5,08 11,72 5,12
1
1 11,63 5,16
5,08
12,05 4,98 11,97 5,01 11,88 5,05
2
1 11,75 5,11
5,04
11,66 5,15 11,77 5,09 11,95 5,02
3
1 11,87 5,05
5,08
11,54 5,19 11,49 5,22 11,38 5,27
4
1 11,56 5,19
5,22
11,16 5,38 11,22 5,35 10,95 5,48
5
1 10,77 5,57
5,45
Tabla 4-11: Consumo de G.L.P.
Nº de Muestra
Volumen de G.L.P. (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal G.L.P. Promedio(L/min)
2 17,47 6,87 2 17,56 6,83 5 43,70 6,86
1 5 44,63 6,72
6,82
2 17,59 6,82 2 17,36 6,90 5 43,68 6,87
2 5 44,38 6,76
6,84
2 17,74 6,76 2 17,44 6,88 5 43,95 6,83
3 5 43,81 6,85
6,83
2 17,88 6,71 2 17,29 6,94 5 43,73 6,86
4 5 43,56 6,89
6,85
2 17,75 6,76 2 17,83 6,73 5 43,87 6,84
5 5 43,64 6,87
6,80
Medición con Gas Natural. Tabla 4-13: Regulación Caudal de Agua
Nº de Muestra
Volumen de Agua (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
11,91 5,03 12,06 4,98 11,78 5,09
1
1 11,74 5,11
5,05
11,24 5,34 11,91 5,04 12,2 4,92
2
1 12,26 4,89
5,05
11,87 5,05 12,43 4,83 12,09 4,96
3
1 12,31 4,87
4,93
10,91 5,49 11,2 5,36 10,92 5,49
4
1 10,89 5,51
5,46
11,94 5,03 11,91 5,04 11,44 5,24
5
1 11,65 5,15
5,12
Tabla 4-14: Consumo de G.N.
Nº de Muestra
Volumen de G.N. (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal G.N. Promedio(L/min)
2 8,5 14,12 2 8,42 14,25 5 21,45 13,99
1 5 21,41 14,01
14,09
2 8,66 13,86 2 8,91 13,47 5 21,84 13,74
2 5 21,95 13,67
13,69
2 8,51 14,01 2 8,24 14,56 5 20,66 14,52
3 5 20,57 14,58
14,42
2 9,05 13,23 2 9,04 13,27 5 22,84 13,13
4 5 22,2 13,51
13,29
2 7,84 15,31 2 7,29 16,46 5 19,18 15,64
5 5 18,88 15,89
15,83
4.5.2. Calefón Junker
Este calefón tiene una capacidad de 10(L/min), es una versión un tanto
antigua, pero muy común de encontrar en algunos hogares.
Cuando se comenzó a regular el caudal de agua, se encontro el primer
inconveniente, pues el fabricante indica que la capacidad del calefón es de
10(L/min) y nunca se logro llegar a ese caudal, sobre todo en las horas donde el
caudal de la red de agua de la Universidad disminuye (hora de almuerzo y
cambios de hora), pero el principal motivo de esta situación es el diseño de la
bomba de agua.
En una segunda instancia, correspondio realizar el cambio de inyectores,
para poder llevar a cabo los ensayos utilizando Gas Natural, pero esto no fue
posible, ya que por lo antiguo del calefón no se puede realizar el cambio de
inyectores.
Figura 4-7: Calefón Junker
Medición operando con G.L.P. Tabla 4-16: Regulación Caudal de Agua.
Nº de Muestra
Volumen de Agua (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
9,65 6,22 1 1 9,20 6,52 6,43 9,12 6,58 9,40 6,38 9,70 6,19 2 1 9,80 6,12 6,21 9,62 6,24 9,55 6,28 8,17 7,34 3 1 7,74 7,75 7,66 7,84 7,65 7,60 7,89 8,05 7,45 4 1 8,18 7,33 7,45 7,94 7,56 8,06 7,44 8,56 7,01 5 1 8,90 6,74 6,72 8,67 6,92 9,69 6,19
Tabla 4-17: Consumo G.L.P. Nº de
Muestra Volumen de
G.L.P. (L) Tiempo
(seg) Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 9,54 12,58 1 2 9,74 12,32 12,59 5 23,54 12,74 5 23,60 12,71 2 9,47 12,67 2 2 9,45 12,70 12,53 5 24,12 12,44 5 24,36 12,32 2 9,55 12,57 3 2 9,72 12,35 12,35 5 24,50 12,24 5 24,53 12,23 2 9,53 12,59 4 2 9,56 12,55 12,47 5 23,91 12,55 5 24,62 12,19 2 9,71 12,36 5 2 9,88 12,15 12,32 5 24,74 12,63 5 24,70 12,15
4.5.3. Calefón Splendid Es un calefón Splendid de 13(L/min) de capacidad, unque este caudal es
el especificado por el fabricante y no el que se alcanzó en el laboratorio, pues
aunque se trato de regular en horas donde el caudal de agua en la Universidad
es mayor y se conecto a una llave que abastece todo un laboratorio, no se pudo
alcanzar el caudal especificado por el fabricante, esto se puede deber al diseño
de la bomba de agua.
Una vez regulado el mayor caudal que se pudo obtener se tomaron las
medidas con Gas Licuado de Pétroleo y luego con Gas Natural.
Figura 4-8: Calefón Splendid
Medición con G.L.P. Tabla 4-19: Regulación Caudal de Agua
Nº de Muestra
Volumen de Agua (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
9,26 6,48 1 1 10,92 5,49 5,99 9,77 6,14 10,30 5,83 8,63 6,95 2 1 8,92 6,73 6,89 8,89 6,75 8,40 7,14 8,29 7,24 3 1 8,38 7,16 7,21 8,38 7,16 8,26 7,26 8,13 7,38 4 1 8,27 7,26 7,30 8,20 7,32 8,30 7,23 8,16 7,35 5 1 8,17 7,34 7,33 8,20 7,32 8,20 7,32
Tabla 4-20: Consumo G.L.P.
Nº de Muestra
Volumen de G.L.P. (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 8,27 14,51 1 2 8,17 14,69 14,62 5 20,60 14,56 5 20,38 14,72 2 8,24 14,56 2 2 8,12 14,78 14,60 5 20,84 14,40 5 20,48 14,65
Nº de Muestra
Volumen de G.L.P. (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 8,23 14,58 3 2 8,19 14,65 14,69 5 19,98 15,02 5 20,67 14,51 2 8,16 14,71 4 2 8,31 14,44 14,77 5 20,03 14,98 5 20,09 14,93 2 8,11 14,80 5 2 8,15 14,72 14,77 5 20,06 14,96 5 20,57 14,58
Medición con Gas Natural Tabla 4-22: Regulación Caudal de Agua
Nº de Muestra
Volumen de Agua (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
8,22 7,30 1 1 8,59 6,98 7,11 8,59 6,98 8,36 7,18 8,19 7,33 2 1 8,58 6,99 7,23 8,24 7,28 8,20 7,32 8,46 7,92 3 1 8,19 7,33 7,45 8,24 7,28 8,27 7,26 7,93 7,57 4 1 8,24 7,28 7,44 8,02 7,48 8,09 7,42 8,26 7,26 5 1 8,12 7,39 7,32 8,21 7,31 8,20 7,32
Tabla 4-23: Consumo G.N.
Nº de Muestra
Volumen de G.L.P. (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 3,61 33,24 1 2 3,50 34,29 33,80 5 8,81 34,05 5 8,92 33,63 2 3,74 32,09 2 2 3,81 31,50 31,40 5 9,68 30,99 5 9,67 31,02
Nº de Muestra
Volumen de G.L.P. (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 3,85 31,17 3 2 3,84 31,25 31,06 5 9,83 30,52 5 9,59 31,28 2 3,88 30,93 4 2 3,87 31,05 30,96 5 9,80 30,61 5 9,60 31,25 2 3,84 31,25 5 2 3,80 31,58 30,86 5 10,06 29,82 5 9,74 30,80
4.5.4. Calefón Ursus Trotter Este calefón corresponde a un Ursus Trotter con capacidad de 13
(L/min), pero al igual que en los casos anteriores, no se pudo regular el caudal a
lo que especifica el fabricante, debido a las grandes pérdidas de carga que
existen en la bomba de agua.
Una vez regulado el caudal, se procedió a medir operando con Gas
Licuado de Petróleo y luego con Gas Natural.
Cuando se tomaron las mediciones con Gas Natural, sólo se alcanzaron
a realizar dos mediciones, debido a que el combustible gaseoso se acabo y por
el alto costo que significa traerlo comprimido a la Universidad, se tomo la
decisión de aceptar las dos mediciones.
Figura4-9:Calefón Ursus Trotter
Medición con Gas Licuado de Petróleo Tabla 4-25: Regulación Caudal de Agua
Nº de Muestra
Volumen de Agua (L)
Tiempo (seg.)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
8,77 6,84 1 1 8,57 7,00 6,93 8,76 6,85 8,54 7,03 8,95 6,70 2 1 9,51 6,31 6,58 9,12 6,58 8,94 6,71 9,60 6,25 3 1 9,45 6,35 6,22 9,95 6,03 9,60 6,25 9,32 6,44 4 1 9,38 6,40 6,54 9,11 6,59 8,94 6,71 9,14 6,56 5 1 9,30 6,45 6,48 9,27 6,47 9,32 6,44
Tabla 4-26: Consumo de G.N.
Nº de Muestra
Volumen de G.L.P. (L)
Tiempo (seg.)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 8,42 14,25 1 2 8,69 13,81 13,96 5 21,45 13,99 5 21,77 13,78 2 8,67 13,84 2 2 8,75 13,71 13,77 5 21,70 13,82 5 21,88 13,71
Nº de Muestra
Volumen de G.L.P. (L)
Tiempo (seg.)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 9,84 12,20 3 2 9,83 12,21 11,97 5 25,37 11,82 5 25,74 11,66 2 9,27 12,94 4 2 8,84 13,57 13,12 5 23,03 13,03 5 23,21 12,93 2 9,23 13,00 5 2 9,50 12,63 12,91 5 22,94 13,08 5 23,19 12,94
Medición con Gas Natural Tabla 4-28: Regulación Caudal de Agua
Nº de Muestra
Volumen de Agua (L)
Tiempo (seg.)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
9,19 6,53 1 1 8,99 6,67 6,42 9,36 6,41 9,87 6,08 9,19 6,53 2 1 9,23 6,50 6,40 9,44 6,34 9,66 6,21
Tabla 4-29: Consumo de G.N.
Nº de Muestra
Volumen de G.N. (L)
Tiempo (seg)
Caudal (L/min)
Caudal Promedio(L/min)
2 4,09 29,34 1 2 4,20 28,57 28,58 5 10,38 28,90 5 10,91 27,50 2 4,05 29,63 2 2 4,14 28,99 28,50 5 10,46 28,68 5 11,24 26,68
Tabla 4-30: Parámetros Medidos Parámetro
Muestra 1
Muestra 2
Promedio
Tº ambiente (ºC) 20,0 20,0 20,0 Tº H2 O entrada (ºC) 14,0 14,0 14,0 Tº H2O salida (ºC) 48,0 49,0 48,5 ∆Tº(ºC) 38,0 38,0 38,0 Pentrada (PSI) 10,0 10,0 10,0 Psalida (PSI) 0,5 0,5 0,5 Pgas (mm.c.a.) 180,0 180,0 180,0 Patmosferica (mm.C.Hg) 725,0 725,0 725,0
Parámetro
Muestra 1
Muestra 2
Promedio
Tºhumos(ºC) 96,0 96,0 96,0 O2(%) 12,9 13,6 13,3 CO(ppm) 22,1 20,5 21,3 CO2(ppm) 4,6 4,2 4,4 NO(ppm) 27,0 32,0 29,5 NO2(ppm) 5,9 6,1 6,0 NOx(ppm) 33,0 38,0 35,5 H2(ppm) 15,0 10,0 12,5 EffN(%) 97,1 95,1 96,1 Effg(%) 88,0 88,2 88,1 CO2máx(%) 11,9 11,9 11,9 Exc.aire(%) 158,3 158,3 158,3 Veloc.GE (m/seg) 2,2 2,3 2,3
CAPITULO V − RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
5.1 Introducción En este capitulo, se realizará un análisis de los resultados de rendimiento
obtenidos, utilizando el método directo, que relaciona calor aprovechado por el
agua con el calor cedido por el combustible, como el indirecto, que relaciona las
pérdidas de calor con los aportes energéticos.
Se discutirán los resultados y a partir de estos se obtendrán las
conclusiones del trabajo.
5.2 Evaluación Energética, Usando Método Directo e Indirecto. Calefón Mademsa, operando con G.L.P. y G.N. Tabla V-1: Calefón Mademsa, evaluación energética utilizando método directo e indirecto operando con G.L.P. y G.N.
Muestra
RendimientoDirecto G.L.P.
Rendimiento Indirecto
G.L.P.
Rendimiento Directo G.N.
Rendimiento Indirecto
G.N (%) (%) (%) (%)
1 79,9 85,13 80,1 81,95 2 86,3 85,04 78,1 82,23 3 79,8 84,71 80,5 83,14 4 81,8 84,59 77,3 81,75 5 78,2 85,26 72,3 82,03
*Ver en anexo tabla completa.
Figura 5-1: Gráfico comparativo de rendimiento calefón Mademsa, obtenido por método directo, operando con G.L.P. y G.N.
Figura 5-2: Grafico comparativo de rendimiento calefón Mademsa, obtenido por método indirecto, operando con G.N. y G.L.P.
65
70
75
80
85
90
1 2 3 4 5
Nº Muestra
Rend
imie
nto
(%)
G.L.P.G.N.
79
80
81
82
83
84
85
86
1 2 3 4 5
Nº Muestra
Ren
dim
ento
(%)
G.L.PG.N.
Tabla V-2: Calefón Junker, evaluación energética utilizando método directo e indirecto operando con G.L.P.
Muestra
Rendimiento Directo G.L.P.
Rendimiento Indirecto
G.L.P. (%) (%) 1 84,7 81,8 2 79,8 83,5 3 84,7 83,8 4 81,6 84,0 5 75,4 84,0
*Ver en anexo tabla completa.
Tabla V-3: Calefón Splendid, evaluación energética utilizando método directo e indirecto operando con G.L.P. y G.N.
*Ver en anexo tabla completa.
Muestra
Rendimiento Directo G.L.P.
Rendimiento Indirecto
G.L.P. RendimientoDirecto G.N.
Rendimiento Indirecto
G,N. (%) (%) (%) (%) 1 79,9 82,22 79,2 82,92 2 78,3 84,55 81,3 81,16 3 81,4 84,6 87,6 83,34 4 84,3 84,96 84,9 83,84 5 84,8 84,80 86,5 83,92
Figura 5- 3: Grafico comparativo de rendimiento calefón Splendid, obtenido por método directo, operando con G.N. y G.L.P.
Figura 5- 4: Grafico comparativo de rendimiento calefón Splendid, obtenido por método indirecto, operando con G.N. y G.L.P.
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
1 2 3 4 5Nº Muestra
Ren
dim
ient
o (%
)
G.L.P.G.N.
79
80
81
82
83
84
85
86
1 2 3 4 5
Nº Muestra
Ren
dim
ient
o (%
)
G.L.P.G.N
Tabla V- 4: Calefón Ursus Trotter, evaluación energética utilizando método directo e indirecto operando con G.L.P. y G.N.
Muestra
Rendimiento Directo G.L.P.
Rendimiento Indirecto
G.L.P.
Rendimiento Directo G.N.
Rendimiento Indirecto
G.N. (%) (%) (%) % 1 84,2 91,74 89,9 89,86 2 81,1 91,57 92,5 88,99 3 99,8 90,05 91,2 89,43 4 92,8 90,82 91,2 89,43 5 89,0 91,21 91,2 89,43
*Ver en anexo tabla completa.
Figura 5-4: Grafico comparativo de Rendimiento Calefón Ursus Trotter, obtenido por método directo, operando con G.N. y G.L.P.
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5Nº Muestra
Ren
dim
ient
o (%
)
G.L.P.G.N.
Figura 5-5: Grafico comparativo de Rendimiento Calefón Ursus Trotter, obtenido por método indirecto, operando con G.N. y G.L.P. 5.3 Evaluación Ambiental Tabla V-5: Emisiones gases de escape, operando con G.L.P.
Gases de Escape Calefón
Mademsa Calefón Junkers
Calefón Splendid
Calefón U.Trotter
Masa GEest.(KgGE/Kgcb) 16,70 16,70 16,70 16,70 Masa real GE.(KgGE/Kgcb) 41,03 46,55 45,69 38,66 Volumen GEest.(m3/Kgcb) 14,57 14,57 14,57 14,57 Volumen real GE .(m3/Kgcb) 35,09 39,74 39,01 33,09 Volumen real GES (m3/Kgcb) 32,76 37,42 36,69 30,76 Volumen caudal GE (m3/h) 50,72 65,06 62,69 45,11 Q vapor de agua (m3/h) 2,73 4,32 6,36 5,59 Q de O2(m3/h) 4,88 8,77 12,62 9,32 Q CO (m3/h) 0,001 0,195 0,002 0,002 Q C O2 (m3/h) 2,13 3,15 4,67 4,53 Q NOx (m3/h) 0,002 0,003 0,004 0,004 Q H2 (m3/h) 0,001 0,008 0,002 0,003 Q N2 (m3/h) 31,38 51,90 75,76 62,64 CO2 máx. teórico (%) 13,47 13,47 13,47 13,47 CO2 máx. real (%) 5,32 4,68 4,78 5,66 CO corregido (ppm) 36,11 7976,33 46,03 55,30 *Ver en anexo tabla completa.
87,5
88
88,5
89
89,5
90
90,5
91
91,5
92
1 2 3 4 5Nº Muestra
Ren
dim
ient
o (%
)
G.L.P.G.N.
Tabla V-6: Emisiones gases de escape, operando con Gas Natural.
Gases de Escape Calefón
Mademsa Calefón
Splendid Calefón U.
Trotter Masa GEest.(KgGE/Kgcb) 17,62 17,62 17,62 Masa real GE.(KgGE/Kgcb) 49,92 48,84 46,43 Volumen GEest.(m3/Kgcb) 15,63 15,63 15,63 Volumen real GE .(m3/Kgcb) 42,88 41,97 39,94 Volumen real GES (m3/Kgcb) 40,04 39,13 37,10 Volumen caudal GE (m3/h) 81,26 77,84 70,50 Q vapor de agua (m3/h) 3,47 8,29 6,99 Q de O2(m3/h) 5,32 12,43 9,95 Q CO (m3/h) 0 0,001 0,002 Q C O2 (m3/h) 1,58 3,79 3,30 Q NOx (m3/h) 0,002 0,003 0,003 Q H2 (m3/h) 0,002 0,002 0,001 Q N2 (m3/h) 31,64 74,90 61,84 CO2 máx. teórico (%) 12,11 12,11 12,11 CO2 máx. real (%) 4,15 4,25 4,47 CO corregido (ppm) 10,49 41,49 52,40 *Ver en anexo tabla completa.
Figura 5- 6: Volumen caudal gases de escape, operando con G.L.P. y G.N.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 2 3Nº Muestra
Volu
men
Cau
dal G
E
G.L.P.G.N.
(m3/h)
Figura 5- 7: Caudal CO, operando con G.L.P. y G.N.
Figura 5-8: Caudal CO corregido, operando con G.L.P. y G.N.
(ppm)
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
1 2 3
Nº Muestra
Cau
dal C
O
G.L.P.G.N.
0
10
20
30
40
50
60
1 2 3Nº Muestra
CO
cor
regi
do
G.L.P.G.N.
(m3/h)
5.4 Análisis de Rendimientos y Factores de Emisión Realizando un análisis de los rendimientos, calculados en los puntos
anteriores, utilizando el método directo e indirecto, se puede observar mediante
los gráficos; que en todos los casos se marca la tendencia donde el rendimiento
de los calefones, operando con gas licuado de petróleo, es mayor que el
rendimiento que se obtiene operando con gas natural.
Comparando los resultados que se obtienen usando método directo e
indirecto, éstos no difieren. Por lo que podemos decir que utilizar el método
directo para realizar una evaluación con rapidez nos da una idea bastante
certera del rendimiento de un calentador instantáneo de agua.
La tendencia que se marca en el rendimiento de los calefones, es
bastante clara, el rendimiento con G.L.P. es mayor que el obtenido con G.N.
esto ocurre debido a que el poder calorífico del G.L.P., en términos de volumen,
es prácticamente el doble que el poder calorífico del G.N., además el consumo
de gas es mucho menor con G.L.P., ya que el diámetro del inyector que
necesita es bastante menor.
Un parámetro que no se debe olvidar es el exceso de aire con el que
trabajan los calefones, que en los ensayos realizados fue muy alto, y operando
con G.N. fue siempre mayor, como era de esperar, pues este necesita mayor
aire para llevar a cabo la combustión.
En términos de emisión de gases de escape, podemos decir que los
calefones operando con ambos combustibles gaseosos, las emisiones de
monóxido de carbono son bajas, además el CO corregido, que es el parámetro
requerido para aprobar la norma de emisión de CO (D.S. 489, 2003), operando
con ambos combustibles gaseosos aprueban con sello verde. En el calefón
Junker de modelo antiguo, pero muy utilizado aún en algunos hogares, fue el
único que no aprueba la norma de emisión de CO, pues el monóxido de
carbono emitido es muy alto (7976.33 ppm), por lo que es rechazado y queda
con sello rojo.
Las emisiones de gases operando con G.N. y G.L.P. son bajas en ambos
casos, pero con G.N. el caudal volumétrico de CO es un tanto menor que con
G.L.P., también se puede observar que el caudal de gases de escape con G.N.
es mayor debido a que trabaja con un alto exceso de aire, esto se reflejara en
un mayor caudal de N2, O2 y vapor de agua, principales componentes del aire
atmosférico.
Otro gas de emisión importante de analizar es el CO2, que es mayor
cuando se trabaja con G.L.P., pero esto es consistente con los rendimientos de
combustión obtenidos, pues el CO2 nos da indicios de que tan buena es la
combustión, por lo que con un mayor rendimiento de combustión, mayor
emisión de CO2.
CAPITULO VI − CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Una vez realizados los análisis podemos concluir que utilizando el
método directo e indirecto, para obtener el rendimiento térmico en los calefones,
se marca la tendencia donde el rendimiento, operando con Gas Licuado de
Petróleo es levemente mayor que operando con Gas Natural, además el
consumo de combustible gaseoso es mucho menor con G.L.P. que con G.N., ya
que el diámetro del inyector que necesita es bastante menor.
Ambos métodos no difieren mayormente en los resultados que entregan,
sólo en el calefón Splendid se produce una diferencia entre los resultados
obtenidos utilizando método directo e indirecto, esto se puede deber a que el
cálculo del rendimiento es muy sensible a los datos.
El método de rendimiento indirecto es muy preciso, pues considera
mayor cantidad de variables que intervienen en la combustión, pero el uso del
método de rendimiento directo es muy útil para obtener en forma rápida una
apreciación del rendimiento energético en una combustión.
En todos los calefones de capacidad superior a 10(L/min), no alcanzaron
este caudal, pues existe una considerable pérdida de carga en la bomba de
agua, esto se debe a la estructura de ésta y se recomendaría realizar una
revisión del diseño.
Todos los calefones trabajaron con un exceso de aire muy elevado, aún
más cuado se opera con gas natural, pues éste necesita mayor cantidad de aire
para llevar a cabo la combustión. Si se redujera el exceso de aire se podría
mejorar el rendimiento ya que hay una gran perdida de calor por éste. El exceso
de aire solo se podría mejorar si se realizan modificaciones en el diseño de los
calefones.
Cuando se trabajó con el calefón Junker de modelo antiguo, aún
bastante usado en algunos hogares chilenos, además de presentar el
inconveniente de ser inconvertible a Gas Natural, las emisiones de gases de
escape fueron muy elevadas, debido al diseño del quemador que no permite
una buena mezcla de gas-aire.
Se pudo observar que tomando en cuenta la normativa aplicable (D.S.
222/96) para las instalaciones de Calefones en los domicilios, además de un
mantenimiento adecuado a los artefactos, tiene como resultado emisiones de
gases de escape, específicamente el CO corregido, son bastante bajas que se
encuentran dentro de la norma de emisión, por lo que si se operan
correctamente los artefactos, ambos gases son muy seguros para las personas
y para el medio ambiente.
Analizando todos los puntos antes mencionados y la contingencia
nacional que se vive respecto al abastecimiento de Gas Natural desde los
países vecinos, hace que el uso Gas Licuado de Petróleo sea menos conflictiva
para los usuarios.
ANEXO
ANEXO A − Manual Programa Método Indirecto del Rendimiento para
Combustibles Gaseosos (GLP y GN) en calefones
Introducción
La finalidad del programa es poder entregar una herramienta sencilla
para la determinación del rendimiento por método indirecto de un artefacto que
opera con GLP o GN, además de entregar los calores perdidos por las diversas
formas.
Visualización
Se abre el archivo con el nombre: “Método Indirecto del Rendimiento
para Combustibles Gaseosos (GLP y GN) en calefones” y se presenta como lo
indica la figura 1.
Figura 1 Visualización del programa
Se Observa una columna con datos a Ingresar con la respectiva variable
indicada en color celeste, ver figura 2.
Figura 2
En la segunda columna de cuadros más grandes se obtienen los
resultados del rendimiento indirecto, en el cual se observa un cuadro pequeño y
uno mayor, el primero representa los resultados principales y el segundo los
resultados secundarios, ver figura 3.
Resultados Principales:
• Rendimiento del artefacto, en %.
• Calor total perdido, en KJ/Kg de combustible.
• Calor disponible, en KJ/Kg de combustible.
Resultados Secundarios:
• Exceso de aire.
• Calor perdido por dióxido de Carbono, en KJ/Kg de combustible.
• Calor perdido por dióxido de Azufre, en KJ/Kg de combustible.
• Calor perdido por Nitrógeno, en KJ/Kg de combustible.
• Calor perdido por el exceso de aire, en KJ/Kg de combustible.
• Calor perdido por los gases secos, en KJ/Kg de combustible.
• Calor perdido por Combustión Parcial, en KJ/Kg de combustible.
• Calor perdido por Humedad o gases húmedos, en KJ/Kg de combustible.
Figura 3
Ingresar Datos
Para Ingresar los datos, primero se indica el tipo de gas que se ha
utilizado GN o GLP. Luego los valores numéricos en la correspondiente casilla,
en el caso de decimales, se usa la coma del Keyword alfabético, ver figura 4 y
5.
Figura 4
Figura 5
Obtener Resultados
Para obtener los resultados se debe presionar el botón Principales Variables y se logran los resultados principales y secundarios, como se ve en
la figura 6.
Figura 6
En los Resultados obtenido a primera vista no aparece el calor perdido
por la humedad, para poder verla se hace un clic sobre la segunda casilla de
resultados secundarios y con los botones de desplazamiento, moviéndose hacia
abajo, se observará el calor perdido por la humedad, como se indica en la figura
7.
Figura 7
Ingresar Nuevos Datos y Salir
Se hace clic sobre el botón borrar y se eliminarán todos los datos
ingresados y calculados, ver figura 8. Para salir hacer clic en el botón salir.
Figura 8
ANEXO B − Calefón Mademsa
Calefón Mademsa, evaluación energética utilizando método indirecto operando con G.L.P.
Muestra λ qCO2 qSO2 qN2 qAexc qGS qCP qv qd qp Rendimiento (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (%) 1 2,50 447,72 0,02 2051,12 3918,83 6417,69 1,79 775,17 48396,57 7194,65 85,13 2 2,50 450,691 0,02 2063,78 3943,03 6457,52 1,61 779,96 48396,57 7239,09 85,04 3 2,56 450,69 0,02 2063,77 4103,31 6617,8 1,29 785,47 48418,44 7404,56 84,71 4 2,59 447,72 0,02 2051,12 4160,74 6659,6 0,99 814,59 48518,96 7475,18 84,59 5 2,47 447,72 0,02 2051,12 3841,99 6340,85 1,21 802,15 48471,01 7144,21 85,26
Calefón Mademsa, evaluación energética utilizando método directo, operando con G.L.P.
Muestra Tsalida Tentrada CC agua CC gas Qabs Qced Rendimiento (ºC) (ºC) (L/min) (L/min) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (%) 1 38,0 16,0 5,1 6,8 6705,6 8388,6 79,9 2 39,0 15,0 5,0 6,8 7257,6 8413,2 86,3 3 37,0 15,0 5,1 6,8 6705,6 8400,9 79,8 4 37,0 15,0 5,2 6,9 6890,4 8425,5 81,8 5 36,0 16,0 5,5 6,8 6540,0 8364,0 78,2
Calefón Mademsa, evaluación energética utilizando método indirecto operando con G.N.
Muestra λ qCO2 qSO2 qN2 qAexc qGS qCP qv qd qp Rendimiento (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (%) 1 2,92 386,81 0,03 2014,71 4915,27 7316,83 2,96 952,54 45823,17 8272,33 81,95 2 3,04 364,80 0,03 1907,56 4961,62 7234,03 3,19 915,52 45880,71 8152,74 82,23 3 2,72 384,06 0,03 2001,31 4400,09 6785,49 2,11 924,91 45737,26 7712,51 83,14 4 3,13 364,80 0,03 1907,55 5182,21 7454,61 0,63 925,26 45921,92 8380,5 81,75 5 2,80 400,64 0,03 2081,74 4769,75 7252,17 1,70 970,56 45770,24 8224,43 82,03
Calefón Mademsa, evaluación energética utilizando método directo, operando con G.N. Muestra Tsalida Tentrada CC agua CC gas Qabs Qced Rendimiento
(ºC) (ºC) (L/min) (L/min) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (%) 1 36,0 17,0 5,1 14,1 5757,0 7185,9 80,1 2 35,0 17,0 5,1 13,7 5454,0 6981,9 78,1 3 37,0 17,0 4,9 14,4 5916,0 7354,2 80,5 4 33,0 17,0 5,5 13,3 5241,6 6777,9 77,3 5 36,0 17,0 5,1 15,8 5825,4 8052,9 72,3
ANEXO C − Calefón Junker
Calefón Junker, evaluación energética utilizando método indirecto operando con G.L.P.
Muestra λ qCO2 qSO2 qN2 qAexc qGS qCP qv qd Qp Rendimiento (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (%) 1 3,09 305,03 0,01 1433,28 3811,28 5549,48 1905,77 555,41 48502,65 8010,66 83,48 2 2,80 310,74 0,01 1458,29 3342,87 5111,91 1583,02 548,92 48409,07 7243,85 85,04 3 2,76 307,88 0,01 1445,71 3246,21 4999,83 1578,7 562,97 48490,89 7141,5 85,27 4 2,92 305,03 0,01 1433,15 3498,15 5236,35 1241,09 567,72 48545,94 7045,16 85,49 5 2,83 307,89 0,01 1445,72 3383,71 5137,33 1333,02 567,7 48517,68 7038,05 85,49
Calefón Junker, evaluación energética utilizando método directo, operando con G.L.P.
Muestra Tsalida Tentrada CC agua CC gas Qabs Qced Rendimiento (ºC) (ºC) (L/min) (L/min) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (%) 1 50,0 16,0 6,4 12,6 13117,2 15485,7 84,7 2 49,0 16,0 6,2 12,5 12295,8 15411,9 79,8 3 45,0 17,0 7,7 12,4 12868,8 15190,5 84,7 4 44,0 16,0 7,5 12,5 12516,0 15338,1 81,6 5 44,0 16,0 6,7 12,2 11289,6 14981,4 75,4
ANEXO D − Calefón Splendid
Calefón Splendid, evaluación energética utilizando método indirecto, operando con G.L.P.
Muestra λ qCO2 qSO2 qN2 qAexc qGS qCP qv qd Qp Rendimiento (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (%) 1 3,23 418,15 0,02 1924,64 5468,47 7811,28 12,83 866,1 48882,62 8690,21 82,22 2 2,83 409,32 0,02 1886,74 4416,46 6712,55 8,44 807,35 48714,46 7528,34 84,55 3 2,73 424,05 0,02 1949,93 4289,85 6663,84 8,6 822,25 48667,15 7494,69 84,6 4 2,65 424,05 0,02 1949,93 4118,37 6492,37 7,93 814,68 48637,6 7314,98 84,96 5 2,72 418,15 0,02 1924,64 4234,2 6577,02 6,99 811,6 48667,15 7395,61 84,80
Calefón Splendid, evaluación energética utilizando método directo, operando con G.L.P.
Muestra Tsalida Tentrada CC agua CC gas Qabs Qced Rendimiento (ºC) (ºC) (L/min) (L/min) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (%) 1 56,0 16,0 6,0 14,6 14376,0 17982,6 79,9 2 50,0 16,0 6,9 14,6 14055,6 17945,7 78,3 3 49,0 15,0 7,2 14,7 14708,4 18068,7 81,4 4 50,0 15,0 7,3 14,8 15309,0 18167,1 84,3 5 50,0 15,0 7,3 14,8 15393,0 18154,8 84,8
Calefón Splendid, evaluación energética operando con G.N.
Muestra λ qCO2 qSO2 qN2 qAexc qGS qCP qv qd Qp Rendimiento (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (%) 1 2,84 375,79 0,03 1961,12 4587,68 6924,63 9,79 849,65 45578,86 7784,07 82,92 2 3,13 378,55 0,03 1974,51 5364,2 7717,3 9,91 881,11 45691,57 8608,32 81,16 3 2,76 375,79 0,03 1961,12 4401,26 6738,21 6,99 843,23 45550,46 7588,43 83,34 4 2,8 359,32 0,03 1880,79 4309,09 6549,24 8,27 797,62 45513,93 7355,13 83,84 5 2,76 362,06 0,03 1894,17 4250,94 6507,21 7,4 800,42 45500,59 7315,03 83,92
Calefón Splendid, evaluación energética utilizando método directo, operando con G.N. Muestra Tsalida Tentrada CC agua CC gas Qabs Qced Rendimiento
(ºC) (ºC) (L/min) (L/min) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (%) 1 48,0 16,0 7,1 33,8 13651,2 17238,0 79,2 2 46,0 16,0 7,2 31,4 13014,0 16014,0 81,3 3 46,0 15,0 7,5 31,0 13857,0 15815,1 87,6 4 45,0 15,0 7,4 31,0 13392,0 15784,5 84,9 5 46,0 15,0 7,3 30,9 13615,2 15738,6 86,5
ANEXO E − Ursus Trotter
Ursus Trotter, evaluación energética utilizando método indirecto, operando con G.L.P.
Muestra λ qCO2 qSO2 qN2 qAexc qGS qCP qv qd Qp Rendimiento (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (%) 1 2,23 265,37 0,01 1257,39 1975,97 3498,75 9,87 495,53 48456,07 4004,15 91,74 2 2,28 265,37 0,01 1257,39 2053,73 3576,51 10 498,97 48476,85 4085,48 91,57 3 2,66 273,82 0,01 1295,02 2734,68 4303,54 11,63 508,39 48498,87 4823,56 90,05 4 2,47 271,01 0,01 1282,45 2401,72 3955,22 11,66 466,67 48302,15 4433,55 90,82 5 2,3 276,651 0,01 1307,57 2177,49 3761,72 10,39 467,56 48249,26 4239,67 91,21
Ursus Trotter, evaluación energética utilizando método directo, operando con G.L.P. Muestra Tsalida Tentrada CC agua CC gas Qabs Qced Rendimiento
(ºC) (ºC) (L/min) (L/min) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (%) 1 54,0 16,0 6,9 14,0 15800,4 18762,2 84,2 2 54,0 16,0 6,6 13,8 15002,4 18506,9 81,1 3 57,0 14,0 6,2 12,0 16047,6 16087,7 99,8 4 54,0 14,0 6,2 12,0 14928,0 16087,7 92,8 5 54,0 14,0 6,5 13,1 15696,0 17633,3 89,0
Ursus Trotter, evaluación energética utilizando método indirecto, operando con G.N.
Muestra λ qCO2 qSO2 qN2 qAexc qGS qCP qv qd Qp Rendimiento (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (kj/kg) (%) 1 2,59 235,83 0,02 1267,25 2568,45 4071,56 10,6 518,48 45392,33 4600,64 89,86 2 2,83 235,83 0,02 1267,25 2963,96 4467,07 10,94 530,48 45476,74 5008,49 88,99
Ursus Trotter, evaluación energética utilizando método directo, operando con G.N.
Muestra Tsalida Tentrada CC agua CC gas Qabs Qced Rendimiento (ºC) (ºC) (L/min) (L/min) (Kcal/hr) (Kcal/hr) (%) 1 48,0 14,0 6,4 28,6 13096,8 14575,8 89,9 2 49,0 14,0 6,4 28,5 13440,0 14529,9 92,5
ANEXO F, Parámetros de la Combustión Algunos parámetros de la combustión y caudales de gases de escape, operando con G.L.P.
Parámetro Unidad Mademsa Junker Splendid Trotter Masa de aire Teórico [Kg de aire / Kg cb] 15,90 15,90 15,90 15,90 Volumen de aire Teórico [m3 de aire / Kg cb] 13,41 13,41 13,41 13,41 Masa gases escape teórico [Kg GE / Kg cb] 16,70 16,70 16,70 16,70 Volumen gases esc. teórico [m3 GE/Kg cb] 14,57 14,57 14,57 14,57 Volumen de gases secos [m3 GES / Kg cb] 12,25 12,25 12,25 12,25 relación de aire 2,53 2,88 2,82 2,38 Aire en exceso % 153,00 188,00 182,00 138,00 Masa real de aire [Kg de aire / Kg cb] 40,22 45,74 44,88 37,85 Volumen real de aire [m3 de aire / Kg cb] 33,93 38,58 37,86 31,93 Masa real de gases escape [Kg GE / Kg cb] 41,03 46,55 45,69 38,66 Volumen real de gases esc. [m3 GE/Kg cb] 35,09 39,74 39,01 33,09 Volumen real de gases secos [m3 GE / Kg cb] 32,76 37,42 36,69 30,76 Velocidad de los humos [m/s] 1,84 1,86 2,18 1,80 Diámetro ducto gases esc. [mm] 88,90 114,00 127,00 127,00 Volumen Caudal gases esc. [m3 /hr] 41,12 68,35 99,42 82,09 Oxigeno medido % 12,70 13,70 13,56 12,18 CO ppm 15,70 3044,40 17,98 25,60 CO2 % 5,56 4,92 5,02 5,92 NOx ppm 45,60 41,20 46,80 57,00 H2 ppm 33,20 118,20 19,20 36,80 N2 % 81,73 81,06 81,41 81,89 H2O % 6,65 6,32 6,40 6,81 Peso Molecular gases secos 29,43 29,39 29,40 29,45 Peso Molecular gases hum. 28,67 28,67 28,67 28,67 Humedad de gases escape % 6,65 6,32 6,40 6,81 Caudal de agua [m3 /hr] 2,73 4,32 6,36 5,59 Caudal de O2 [m3/hr] 4,88 8,77 12,62 9,32 Caudal CO [m3/hr] 0,001 0,195 0,002 0,002
Parámetro Unidad Mademsa Junker Splendid Trotter Caudal CO2 [m3/hr] 2,13 3,15 4,67 4,53 Caudal NOx [m3/hr] 0,002 0,003 0,004 0,004 Caudal H2 [m3/hr] 0,001 0,008 0,002 0,003 Caudal N2 [m3/hr] 31,38 51,90 75,76 62,64 CO2 máx. teórico % 13,47 13,47 13,47 13,47 CO2 máx. real % 5,32 4,68 4,78 5,66 ηc % 41,28 36,53 37,27 43,95 ηq % 104,51 105,13 105,02 104,59 Fc 2,30 2,62 2,56 2,16 CO corregido ppm 36,11 7976,33 46,03 55,30
Algunos parámetros de la combustión y caudales de gases de escape, operando con G.N.
Parámetro Unidad Mademsa Splendid Trotter Masa de aire Teórico [Kg de aire / Kg cb] 16,85 16,85 16,85 Volumen de aire Teórico [m3 de aire / Kg cb] 14,22 14,22 14,22 Masa gases escape teórico [Kg GE / Kg cb] 17,62 17,62 17,62 Volumen gases esc. teórico [m3 GE/Kg cb] 15,63 15,63 15,63 Volumen de gases secos [m3 GES / Kg cb] 12,79 12,79 12,79 relación de aire 2,92 2,85 2,71 Aire en exceso % 192,00 185,00 171,00 Masa real de aire [Kg de aire / Kg cb] 49,16 48,08 45,67 Volumen real de aire [m3 de aire / Kg cb] 41,46 40,56 38,52 Masa real de gases escape [Kg GE / Kg cb] 49,92 48,84 46,43 Volumen real de gases esc. [m3 GE/Kg cb] 42,88 41,97 39,94 Volumen real de gases secos [m3 GE / Kg cb] 40,04 39,13 37,10 Velocidad de los humos [m/s] 1,88 2,18 1,80 Diámetro ducto gases esc. [mm] 88,90 127,00 127,00 Volumen Caudal gases esc. [m3 /hr] 42,01 99,42 82,09 Oxigeno medido % 13,80 13,64 13,25 CO ppm 3,96 16,02 21,30 CO2 % 4,10 4,16 4,40
Parámetro Unidad Mademsa Splendid Trotter NOx ppm 46,20 35,00 35,50 H2 ppm 46,20 20,40 12,50 N2 % 82,09 82,19 82,34 H2O % 8,25 8,34 8,52 Peso Molecular gases secos 29,39 29,39 29,39 Peso Molecular gases hum. 28,45 28,44 28,42 Humedad de gases escape % 8,25 8,34 8,52 Caudal de agua [m3 /hr] 3,47 8,29 6,99 Caudal de O2 [m3/hr] 5,32 12,43 9,95 Caudal CO [m3/hr] 0 0,001 0,002 Caudal CO2 [m3/hr] 1,58 3,79 3,30 Caudal NOx [m3/hr] 0,002 0,003 0,003 Caudal H2 [m3/hr] 0,002 0,002 0,001 Caudal N2 [m3/hr] 31,64 74,90 61,84 CO2 máx. teórico % 12,11 12,11 12,11 CO2 máx. real % 4,15 4,25 4,47 ηc % 33,86 34,35 36,33 ηq % 98,80 97,88 98,43 Fc 2,65 2,59 2,46 CO corregido ppm 10,49 41,49 52,40
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