SEMINARIO DE PROYECTO I Y I1

'úso EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN SISTEMAS DE COMBUSTI~N.

ALGORITMO DE CALCULO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN SISTEMAS DE COMBUSTI~N.

L/

DAVID FRANCO MARTÍNEZ

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jINGENIERÍA EN ENERGÍA.

-

UNIVERSIDAD AUTóNOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA.

/

Dedicado a mis padres y a todas aquellas personas que confiaron en mi y siempre me alentaron

a seguir.

INDICE . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OBJETIVO 1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . INTRODUCCI~N 2

3 . COMBUSTIBLES Y COMBUSTIóN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.1. GENERALIDADES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2. COMBUSTIBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.2.1. COMBUSTIBLES SOLIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.2.2. COMBUSTIBLES L~QUIDOS . . . . . . . . . . . . . . . IO 3.2.3. COMBUSTIBLES GASEOSOS . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.3. EL AIRE DE COMBUSTIóN . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3.1. AIRE TEÓRICO o ESTEQUIOMETRICO . . . . . . . . . . . 14 3.3.2. AIRE HÚMEDO MÍNIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3.4. DEFICIT DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.4. COMBUSTI~N IMPERFECTA . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.5. PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . 20 3.6. EQUIPO DE COMBUSTIóN . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6.1. QUEMADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6.2. ATOMIZACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3.3. EXCESO DE AIRE . . . . . . : . . . . . . . . . . . . 18

4 . GENERADORES DE VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA GENERACI~N DE VAPOR . . . . 30 4.2. EFICIENCIA DE LOS GENERADORES DE VAPOR . . . . . . . 35 4.2.1. FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE

VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2.2. CALCULO DE LA EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE VAPOR . 37

4.4. ALGORITMO PARA CALCULAR LA EFICIENCIA DE UN GENERADOR 4.3. METODOLOGÍA PARA su DIAGNOSTICO ENERGÉTICO . . . . . 49

DE VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4.1. VARIABLES A MEDIR . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4.2. CONSTANTES REQUERIDAS . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.4.3. CALCULO DEL AIRE Y PRODUCTOS DE COMBUSTI~N COMPLETA . 54 4.5. APLICACIóN A UN CASO REAL . . . . . . . . . . . Y . . 56

5 . HORNOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5 . 2 . EFICIENCIA DE UN HORNO . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3. METODOLOGÍA PARA SU DIAGNOSTICO ENERGÉTICO . . . . . 66 5.4.1 VARIABLES A MEDIR . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4.2 CONSTANTES REQUERIDAS . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.5. EJEMPLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0

5.1. INTRODUCCI~N . . . . . . . . . . . . . . . . . .- . . 61

5.4. ALGORITMO PARA CALCULAR LA EFICIENCIA DE UN HORNO . 67

6 . CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7 . BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . 74

!

1.OBJETIVO:

El presente trabajo tiene como meta encontrar una serie de ecuaciones que permita disponer de un método rápido y fácil de aplicar para calcular la eficiencia de l o s sistemas de combustión. En particular, el cálculo se hará para generadores de vapor y hornos. En el trabajo se integrarán l o s parámetros que afectan la eficiencia y las variables que se requiere medir o calcular para evaluar dicha eficiencia.

Como éstas no siempre son fáciles de obtener, se requiere encontrar y desarrollar un algoritmo que permita de alguna forma determinarlos.

Una vez que se identifican los parámetros que afecten la eficiencia, se debe poder analizar si una modificación a alguno de ellos puede redituar en una mejora que se traduzca en un ahorro en energía y se tenga un ahorro en costos de operación de los equipos de combustión; se entiende que el tiempo de recuperación de la inversión realizada en esta modificación será aceptable desde el punto de vista económico.

?

2.INTRODUCCIÓN.

Toda economia próspera tiene como base la disponibilidad de una fuente de energia barata y constante. Desde luego, el término barato es relativo, ya que los combustibles con un costo elevado pueden ser accesibles si se toman las medidas posibles para evitar el desperdicio y uso innecesario, al estudiarlo y analizar cuidadosamente los requerimientos totales de energía en los establecimientos industriales y comerciales.

Por lo tanto, el uso eficiente de la energía es de vital importancia, ya que se prevé para los años venideros un aumento constante en el costo de la energía primaria. La demanda mundial de energéticos está aumentando rápidamente y a medida que más y más habitantes del planeta cambian sus actividades agrícolas por las industriales, esta demanda continuará creciendo a un ritmo alarmante.

Aún cuando la energía se regalara, sería necesario elaborar un programa de conservación, a fin de no agotar las actuales fuentes de energía con mayor velocidad de la que permite encontrar nuevos recursos energéticos o introducir nuevas técnicas. Sin embargo la energía no es gratuita y forma parte importante de los costos de manufactura y distribución.

Por lo tanto, es indispensable establecer técnicas y políticas para el uso eficiente de los energéticos actuales sobre todo de l o s combustibles fósiles.

En la industria hay gran dependencia en la actualidad de l o s hidrocarburos utilizados en la generación de calor, éstas pueden usarse para la generación de vapor y después en electricidad o para fundir grandes cantidades de metal (siderurgia, etc.).

-

2

COMBUSTIBLES Y COMBUSTI~N.

3.1.GENERALIDADES.

La combustión es un fenómeno en el cual ocurren una serie de reacciones químicas rápidas en las que intervienen productos llamados combustible y comburente. La reacción química produce luz, energía y desprendimiento de gases. Esta reacción es directamente proporcional a la masa del material que forma parte del proceso y se afecta sensiblemente por las temperaturas iniciales de los reactivos y de la temperatura final de los productos.

La combustión es la reacción química que ocurre cuando el oxígeno se combina con los elementos del combustible y el calor producido se puede aprovechar.

Los elementos más comunes que constituyen un combustible son: carbono, hidrógeno y el azufre acompañados en menor cantidad de nitrógeno, oxígeno y trazas de otros elementos como vanadio, sodio, etc.

La temperatura a la cual ocurre la combustión recibe el nombre de temperatura de ignición y es independiente de las condiciones en las que se encuentre el combustible. Por esta razón en algunas ocasiones la combustión rápida requiere de un suministro de calor exterior. En el proceso de combustión intervienen los siguientes elementos:

- Combustible (representa la energía potencial).

Aire (necesario para las reacciones químicas). 7 -

- Sistemas auxiliares (cuya misión es poner en contacto el -

- Un hogar (donde se desarrolla el proceso de combustión) . aire y el combustible).

- Energía liberada en el proceso de combustión (disponible inmediatamente).

- Productos de combustión (los cuales contienen energía disponible que eventualmente puede recuperarse) .

3

Se llama combustible aquella substancia que tiene la propiedad de combinarse con oxígeno, para producir el fenómeno denominado combustión; esta combinación es una reacción altamente exotérmica (que produce luz, energía y desprendimiento de gases); los principales elementos que constituyen un combustible son carbón, hidrógeno y azufre, junto con otros elementos como el nitrógeno, oxígeno y trazas de vanadio, níquel, sodio, etc.

Aunque el azufre es de menor importancia como fuente de calor, es de una importancia relevante en los problemas de corrosión y contaminación .

Al oxígeno generalmente se le llama comburente y es el otro elemento fundamental para que se lleve a cabo la combustión. El oxígeno normalmente se obtiene del aire, en el cual representa aproximadamente el 21%; el 79% restante es de nitrógeno en volumen. El nitrógeno es un gas inerte y no interviene en la combustión.

Por su estado físico los combustibles se clasifican en :

- combustibles sólidos

- combustibles líquidos, y

- combustibles gaseosos

En México se utilizan principalmente los combustibles líquidos y gaseosos. Estos combustibles tienen una serie de características y propiedades; es necesario conocerlas para el manejo, transportación y uso. Y

composición química

poder calorífico viscosidad temperatura de inflamación temperatura de escurrimiento contenido de azufre contenido de cenizas peso específico contenido de humedad calor específico

-

4

3.2.1. COMBUSTIBLES SóLIDOS.

Dentro de los combustibles sólidos .se tiene la siguiente clasificación:

- Naturales + Madera y residuos vegetales. + Turbas. + Lignito. + Hullas. + Antracita. + Coques. + Aglomerados, briquetas. + Carbón vegetal.

- Artificiales

MADERA Y RESIDUOS VEGETALES.

Con excepción de algunos casos especiales, como aserraderos, en general la madera no representa un gran interés en la industria como combustible. Sin embargo, si se calienta en ausencia de aire, se obtiene el carbón de madera, utilizado como absorbente en la industria química y como reductor en la metalurgia (en algunos países, pero en México no) . Los combustibles residuales agrícolas son muy numerosos aunque su uso está limitado a las industrias que lo generan o a zonas concretas. Destaca por su importancia el bagazo de caña.

TURBAS. Constituyen los carbones minerales de menor calidad. So? masas fibrosas de materia vegetal parcialmente descompuesta, que se ha acumulado en lugares inundados de agua. Generalmente se utiliza localmente como combustible pobre. -

LIGNITOS.

Bajo esta denominación se clasifican distintos tipos de carbones minerales, aunque suelen agruparse en dos categorías: lignitos pardos y lignitos negros. Se consumen en centrales térmicas principales.

HULLAS.

5

ANTRACITA.

ES el carbón mineral más duro y denso, tiene un contenido de calor alto. Fuera de su combustión directa se utiliza para aplicaciones metalúrgicas y gasificación.

COMBUSTlBLES SóLIDOS ARTIFICIALES.

Se obtienen principalmente al someter a un combustible sólido a la acción del calor en ausencia de aire. Se queman en casos específicos y, normalmente, participan como reductores al proceso. Exclusivamente como combustibles se utilizan cuando son subproductos en la fabricación de gas.

El combustible sólido más empleado en la industria es el carbón mineral, debido al limitado mercado de l o s demás. Debido a la gran diversidad que existe de carbones minerales con características también diversas, es muy importante para su consumo el clasificarlos adecuadamente y poder predecir su comportamiento. Por eso se deben conocer sus principales propiedades.

PROPIEDADES DEL CARBóN MKNERAL.

Poder calorífico. Y

El poder calorífico de un combustible es una propiedad muy importante, ya que es la cantidad de energía térmica que es capaz de entregar al ser quemado.

Los combustibles contienen hidrógeno que al quemarse en el seno del aire forma vapor de agua como producto de la combustión, el agua puede permanecer en estado de vapor o condensarse; por lo que existen dos valores diferentes de poder calorífico, el poder calorífico superior (PCS) o bruto y el poder calorífico inferior (PCI) o neto.

El PCS de un combustible se define corno la cantidad de calor absorbido de los productos de la combustión completa de la unidad

de masa del combustible, cuando son enfriados a la temperatura inicial de la mezcla y en esas condiciones todo el vapor de agua se condensa.

El PC1 es la cantidad de calor absorbido de los productos de la combustión completa de la unidad de masa del combustible, cuando son enfriados a la temperatura inicial de la mezcla, y en esas condiciones el vapor de agua no se condensa.

El PCS de un carbón mineral se puede calcular a partir de un análisis elemental del combustible referido a base seca, por medio de la ecuación conocida como ecuación de Dulong:

PCS = 80.8(%C) + 344(%H2 - %02/8)+22.2(%S) kcal/kg carbón (1)

Y el PC1 como :

PC1 = PCS - 5.85 (9%H2 +%humedad) kcal/kg carbón ( 2 )

O lo que es lo mismo :

PC1 = PCS - 5.85(%H20 total) kcal/kg carbón (3 )

Composición.

Debido a que el carbón mineral no es una sustancia pura ni tiene una composición uniforme, no se le puede dar una fórmula química definida.

a En México, los carbones del norte se clasifican como carbones bituminosos, aún cuando también existen carbones sub-bituminosos. Un análisis aproximado de los sub-bituminosos es de: -

- 12% humedad

- 40% materia volátil

- 40% carbón fijo

- 8% cenizas

Mientras que un análisis del carbón bituminoso o hulla, que tiene

7

l .. -

! !

un poder calorífico mayor que el sub-bituminoso es de:

- 4 % humedad

- 29% materia volátil

- 60% carbón fijo

- 7% cenizas

Algunas propiedades de los distintos carbones se muestra en la tabla I.

TABLA I. PROPIEDADES DE LOS CARBONES MINERALES.

- 1 I ,

!

!

C :ONTINUACI~N TABLA I.

5. Coque Coque matalúrg.

11-12 2 <10 6950 Semicoque

9-15 7-10 2-5 6500 Coque de gas

7-15 3-6 1-3 - 6900

6.Carbón de madera 8100

Para un análisis en el cual se tenga la composición elemental del carbón, sería en base seca la siguiente:

- Carbón total

- Hidrógeno

- Azufre

- Nitrógeno

- Oxígeno

- Cenizas

3.2.2. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS.

Los combustibles líquidos utilizados en -procesos industriales se pueden clasificar en tres clases:

a) Aquellos que para su bombeo, almacenamiento y utilización necesitan ser calentados (gasóleo, diesel, kerosenos, combustóleo, etc. ) . b) Los que requieren calentamiento sólo en su atomización.

Las principales propiedades de l o s combustibles líquidos son:

- Densidad (d); se define como el cociente de la masa del combustible y el volumen que ocupa a una determinada temperatura y presión; a menos que se especifique lo contrario, la densidad se refiere a 15OC y 760 mm Hg.

- Poder calorífico. A través de fórmulas de equivalencia se puede obtener un valor bastante aproximado conociendo la densidad (d) en g/cm3 a 15.5OC.

* Para el poder calorífico superior en kcal/kg :

PCS = 12400 - 2100*d2 * Para el poder calorífico inferior en kcal/kg :

PC1 = 12925 -3200*d - 7000*%S (5)

Donde %S es el porciento de azufre en el combustible.

* Para el contenido de hidrógeno (H) en % del peso total del combustible : t

%H = 25 - 15*d ( 6 ) -

* Para el volumen de aire necesario para la combustión (V.A.)en Nm3 por kg de combustible :

V.A. ~(12400 - 2100*d2)/748 ( 7 )

* Para el calor específico de un combustible líquido a presión constante (C,) , en función de la densidad y de la temperatura(TOC)

C, = (l/dd) (0.403 - 0.0008*T) kcal/kg°C ( 8 )

- viscosidad; es la propiedad del combustible de oponer resistencia al movimiento del mismo, cuando se le aplica una fuerza exterior.

La viscosidad es una propiedad importante, ya que se opone al flujo del combustible y afecta a la atomización deseada para la combustión. Existen dos tipos de unidades una físicas y la otra práctica. En las primeras están la viscosidad absoluta o dinámica y la cinemática, cuyas unidades, en el sistema CGS, son, respectivamente, el poise y el stoke. Pero son unidades muy grandes y por eso se utilizan el centipoises y el centistokes. La tabla I1 muestra otras unidades y su equivalencia entre si.

TABLA 11. COMPARACIóN DE DISTINTAS UNIDADES DE VISCOSIDAD.

""-"

- Punto de flama. Es la temperatura más baja en la que el combustible produciría vapores explosivos o fácilmente flamables.

Es importante para determinar la forma de almacenaje y manejo del combustible.

11

Se acepta que los combustibles líquidos puedan ser manipulados sin grave riesgo de explosión o incendio.

- Contenido de azufre y cenizas. - El azufre en el combustible puede causar corrosiones muy fuertes, ya que durante la combustión se desprende en forma de SO,, que por oxidación e hidratación se convierte en ácido sulfúrico.

El contenido en cenizas es el residuo de la combustión; en las cenizas se encontrarán presentes sedimentos minerales y los óxidos de jabones metálicos solubles en el combustible o en las gotitas de agua que pueden arrastrar y contener en emulsión o suspensión.

Un elevado contenido de cenizas se traduciría en el mayor desgaste de los equipos e instalaciones, principalmente bombas, además de estos problemas, las cenizas pueden contener compuestos de vanadio, sodio, potasio y calcio que a partir de temperaturas relativamente bajas de las paredes metálicas de la caldera originan corrosiones fuertes.

- Contenido de agua y sedimentos. El agua, en forma de minúsculas gotas y otro tipo de impurezas se encuentran suspendidas en todos los combustibles líquidos y sobre todo en los residuales.

Si las partículas suspendidas están constituidas por granitos de sílice o de óxidos de hierro, la circulación del líquido por equipos, como bombas de desplazamiento positivo o los clichers de los quemadores producirán un rápido desgaste de estos, si, por el contrario.

Los efectos del agua son, principalmente, el de eovocar irregularidades en el funcionamiento del quemador y en la estabilidad de la flama. Las gotas dispersas en el fluido son tales que su decantación es rápida a las temperaturas que axcanza el combustible en el precalentador del quemador.

3.2.3. COMBUSTIBLES GASEOSOS.

La combustión homogénea, en la que tanto el combustible como el comburente se encuentran en estado gaseoso, es la más sencilla ya que no se presentan los problemas de pulverización, atomización y

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Los gases son generalmente limpios y por consiguiente no forman incrustaciones, no ensucian la cámara de combustión y no producen cenizas. Frente a estas ventajas existe el inconveniente del gran volumen que ocupan lo que hace poco práctico su almacenamiento, y crea condiciones de dependencia externa.

PODER CALORÍF'ICO.

El poder calorífico de un gas es el calor liberado por unidad de volumen de gas. Se suele expresar en kcal/m3 de gas en condiciones normales (OOC y 760 mm Hg de presión).

TABLA III. PODERES CALORÍFICOS DE GASES.

GAS Kcal/Kg VoL.l Kg. Kcal/m3 PM

Hidrógeno 2

12410 0.75 16770 30 Etano 13280 1.4 4485 16 Metano

33910 11.2 3027

Propano 44 22710 0.51 12040

Butano 11840 0.39 31150 58 b

En la práctica industrial los combustibles gaseosos están presentes en mezclas y por lo tanto los poderes caloríficos están relacionados directamente con l o s correspondientes de cada componente y con su proporción de la siguiente forma:

PCS, = C X,*PCS, kcal/kg (9)

Donde Xi es la fracción volumétrica del componente i en la mezcla.

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3.3. EL AlRE DE COMBUSTIóN.

El aire es una mezcla de los siguientes gases: oxígeno, nitrógeno, anhídrido carbónico y gases nobles. Para los cálculos prácticos la

- Oxígeno 2 1%

- Nitrógeno 79%

Esta es una composición del aire seco - 1 el aire contiene cantidades variables de vapor de'agua, que depende de las condiciones de temperatura (húmeda o seca) y la presión barométrica.

El aire es la fuente de oxígeno más abundante, barata y fácil de manejar, para los procesos de combustión.Debido a la composición del aire se observa que por cada volumen de oxígeno se encuentran aproximadamente en condiciones teóricas, 3.76 volúmenes de nitrógeno, el cual, para efectos de las reacciones de combustión, es un gas inerte y actúa en forma desfavorable ya que se lleva una parte de la energía liberada en la combustión.

Una reacción perfecta y completa requiere de la presencia de oxígeno suficiente para que todo el carbón y el hidrógeno del combustible se conviertan en CO, y H,O.

Una de las consideraciones básicas en el análisis de los procesos de combustión es la reacción teórica o estequiométrica para un combustible dado.

t

3.3.1. AIRE TEóRICO O ESTEQUIOMETIUCO. -

El aire teórico o estequiométrico es aquella cantidad de aire necesario para que se lleve a cabo una reacción completa y perfecta en la cual en los productos de la combustión no existe oxígeno excedente.

El cálculo del aire teórico es sencillo a partir de la composición del combustible.

Sea, a continuación, la composición del combustible en ciento en peso:

Carbono C% Hidrógeno H% Azufre S%

Además si se tienen las siguientes reacciones:

c + O, + CO,

H, + 1/20, + Hz0

S + O, - -+ so,

Entonces tomando como base 100 kg de combustible, combustión de C kg de carbono se requiere:

C/12 = moles de oxígeno

De acuerdo a la ecuación (11) para H kg de hidrógeno se

tanto por

para la

requiere :

(H2/2)*(1/2) = moles de oxígeno

Finalmente para la combustión de S kg de azufre el oxígeno requerido es:

S/32 = moles de oxígeno

Por lo tanto, para la combustión de 100 kg de combustible el oxígeno mínimo requerido o estequiométrico sería la suma de lo necesario para carbono, hidrógeno y azufre es decir:

7

O,, = (C/12) + (H/4) + ( S / 3 2 ) moles de oxígeno (13) -

Como la composición en volumen del aire, como se ha indicado, es aproximadamente del 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, se tiene que el aire mínimo necesario será:

A,,, = (100/21) = 4.76*0,, moles de aire (14 )

Por lo tanto el kg de aire por kg de combustible en base seca para combustibles sólidos y líquidos será: ,

W,, = %*Pmaire/lOO = A,,,*2'9/100 kg aire/kg combustibQ1S)

15

Si la composición del combustible incluye otros compuestos tales como oxígeno, nitrógeno y agua, el aire mínimo variará.

La presencia de una cantidad de oxígeno en el combustible se traducirá en que el oxígeno y por lo tanto el aire necesario para la combustión se verá reducido en relación directa a dicha cantidad:

Of2, = O,, - (O, combustible/32) moles de oxígeno (16)

A', = A,,, -(100/21)*0', moles de aire (17)

Como en los combustibles gaseosos la composición del combustible se da en % volumen, las ecuaciones de combustión se pueden expresar como se indica a continuación:

H, + 1/2 O, ---+ H,O (18)

co + 1/2 O, --+ CO, (19)

(20) cmi H, + (mi + ni/4)*0, --+ mico2 + (ni/2) *H20

La ecuación (20) corresponde a un hidrocarburo gaseoso general. Sea la siguiente la composición de una mezcla de gases considerando que el % volumen puede ser tomado como fracción mol de la mezcla y suponiendo 100 moles de mezcla

Gases C (moles) H, (moles)

% vol.

(%C, H d) *mi ( % C ~ H,,,) *ni

co

total=100

16

De la ecuación (18) se pude saber que para H, moles de hidrógeno se requieren 0 . 5 E, moles de oxígeno.

Para la combustión de CO moles de monóxido de carbono se necesitaran 0 . 5 CO moles de oxígeno.

Y para C,, 11, moles de hidrocarburo gaseoso, por la ecuación (20), son necesarias (mi+ni/4)*Cd 11, moles de oxígeno.

Es por eso que el oxígeno total empleado para una mezcla de gases es :

O,, = 0.5H2 +0.5CO + C(mi+ni/4) *C, H, moles de oxígeno. (21)

Por lo tanto el aire mínimo es:

4, = 4 . 7 6 O,, moles de aire.

Si se quieren los kg aire/kg aire seco combustible:

W Ams = A,,, * 29/C(PM,*ni) kg aire/kg combustible. (23)

Donde PMi es el peso molecular del componente i del combustible y ni es el numero de moles del componente i en el combustible.

3.3.2. AIRE HÚMEDO MíNIMO. 7

Una característica muy importante del aire es la cantidad de humedad que contenga, debido a las condiciones de trabajo del equipo impulsor del aire, a s í como para la pérdida de calor por el agua del aire que absorbe parte del calor generado en la combustión.

La cantidad de humedad se puede calcular como un factor de corrección (F), tal que:

F = HR/ (Pbar - P,*HR) (24)

17

Donde : HR, es la humedad relativa en tanto por uno del aire.

PbU, es la presión barométrica en -m Hg.

Po, es la presión de saturación del agua a la temperatura ambiente en mm Hg.

Por lo tanto el aire mínimo húmedo será:

A b = k * F moles de aire húmedo.

Entonces, el kg aire húmedo/kg combustible a alimentar será:

Para líquidos y sólidos

WA, = A, * 29/100 kg aire/kg combustible. (26)

Para gases

W,, = A, * 29/C(PM, * ni) kg aire/kg combustible. ( 2 7 )

Donde PM,, es el peso molecular del componente i del combustible y ni es el numero de moles del componente i del combustible.

3.3.3. EXCESO DE AIRE. t

En procesos reales es muy difícil obtener un mezclado homogéneo y total del combustible con el aire, causado por el corto tiempo en que se lleva la mezcla y la combustión por lo que es conveniente emplear una cantidad real de aire mayor a la cantidad de aire teórico.

La relación que hay entre el aire real utilizado y el aire teórico necesario se le llama índice de exceso de aire, designado

n = Areal/% (28)

18

De igual forma el exceso de aire será:

n-1 = (Areal - %)/%

Y si se le expresa en %, entonces:

m = (n-1)*100 (30)

El exceso de aire exagerado puede tener algunas desventajas:

- Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar los gases de combustión. Debido a que el exceso de gases de combustión "arrastran" calor al exterior.

- Variación sensible en cuanto a la concentración de los oxídos formados con respecto al nitrógeno y, por ende, una disminución en la eficiencia de la caldera.

3.3.4. DEFICIT DE AIRE.

Si el aire suministrado es menos del necesario para que exista la combustión total del combustible existe una deficiencia de aire, por lo que la combustión es incompleta y en los gases de combustión se encontrarán presentes residuos de carbono, hidrógeno, monóxido de carbono, etc. Por lo tanto, debido a que estos componentes tienen aún contenido calorífico, representarán serias pérdidas de energía.

3.4. COMBUSTIÓN IMPERFECTA. 7

Ocurre una combustión imperfecta cuando, a pesar de que existe un exceso de aire, las reacciones de combustión no se llevan a cabo completamente y en los gases de combustión se encuentran residuos de combustible, partículas sólidas, etc. Este problema se puede suscitar por:

- Por el corto tiempo de permanencia del combustible y aire de combustión, en el hogar y volúmenes muy grandes.

- Un mezclado inadecuado del aire y el combustible, producido por una cantidad de aire insuficiente o por trabajar a una fracción muy pequeña de la carga nominal.

- Por una pulverización inadecuada en los combustibles líquidos, ya que el tamaño de las gotas es proporcional a la velocidad de combustión; a mayor tamaño de la gota mayor tiempo de permanencia en el hogar.

3.5. PRODUCTOS DE LA COMBUSTION.

El tipo y concentración de los productos obtenidos mediante la combustión de un combustible en un equipo depende de las propiedades del combustible y del estado de conservación y operación del dispositivo.

Los productos de combustión incluyen compuestos gaseosos, vapor y sólidos. Entre los primeros se encuentran los oxídos de carbono, agua, oxídos de azufre, NO,, H,, compuestos de hidrocarburos, etc.

Para los sólidos se encuentran aquellos que se depositan en las zona de alta temperatura, formados por compuestos inorgánicos de los elementos metálicos presentes en el combustible, los transportados por los gases de combustión hasta las regiones de baja temperatura, constituidos por carbón, óxidos y sales metálicas. Algunas de los problemas típicos se muestran en la tabla I V .

Productos 1era.etapa de Combustión combustión

combustión completa incompleta

TABLA IV. PROBLEMAS TÍPICOS CON LOS PRODUCTOS DE LA c -

-

-

- -

H

so3 so2 S

H2O """+

N -""+ A Temp. >15OO0C

V -V,O, VO, (gas) +

V,03 -+

Problemas

Si no hay mezcla, existe conc. alta CO y O,

Se lleva calor latente Corrosión

Contaminación

Corrosión y son aislantes

OMBUSTI~N.

Ajuste

Aumentar el exceso de hire

Tratar de - quemar el combusti- ble con el menor exceso de aire

Por esto es necesario mantener un control de la composición de los

20

gases de combustión. Para evaluar la composición se puede partir de las ecuaciones siguientes:

c + O, --- CO, (10 )

Y la composición en % peso del combustible:

%C

%HZ

%S

Y si se suponen 100 kg de combustible, por la ecuación (10) de (%C/12) moles de carbono habrá (%C/12) moles de COZ. De la ecuación (11) con (%H, /2 ) moles de hidrógeno se producirán (%H,/2) moles de agua.

Finalmente, con la ecuación ( 1 2 ) se tienen ( % S / 3 2 ) moles de azufre se generan (%S/32) moles de SO,.

Ahora bien, si la combustión se ha realizado con exceso de aire y se conoce la cantidad de oxígeno usado (no,,), se puede conocer la cantidad de nitrógeno como sigue:

N, = 79*1102~/21 = 3.76 O,, moles de nitrógeno. ( 3 1 )

Y el exceso de oxígeno como:

(n-1) O,, = m02m moles de oxígeno.

t

Por lo que la cantidad de moles de gases de combustión es:

g = CO, + H,O + SO, + mO, + N, moles de gases. (33)

Y para tenerlo en kg de gases secos:

G, =(CO,/44)+ (S0,/64) + (mOJ32) + (N,/28) kg de gases secos. (34)

Análogamente para tomar en cuenta la humedad:

Gh=(CO2/44)+(H,O/18)+(SO,/64)+ +(m02/32)+(N,/28) kg de gases húmedos. (35)

Si se requiere el peso en kg de gases secos por kg de combustible:

W,, = G, /lo0 kg gases/kg combustible. (36)

Para gases húmedos es:

w g h = Gh / l o o kg gases/kg combustible. ( 3 7 )

- Para el caso de combustibles gaseosos, la composición se da en % volumen. Se toma como base el % volumen como número de moles.

Si se tienen las siguientes ecuaciones:

H2 + 1/ 2 O2 -”-+ H2O

co + 1/2 O, ””) co, C, Ki +(mi+ni/4)0, --+ mico, + niH,O

Y se toma una composición igual a la tratada en aire mínimo para gases, anteriormente descrita.

Por lo tanto de la ecuaci6n (18) , si se tienen H, moles de hi%rógeno formaran con oxígeno H, moles de H,O.

De la ecuación (19), CO moles de monóxido de carbono formaran CO moles de bióxido de carbono.

Ahora, con la ecuación (20) , contando con C,, B, moles de hidrocarburo gaseoso se producirán mi(%C,, H,) moles de CO, .

Por consiguiente, los productos totales serán:

CO, = CO + C mi (%C, Q)

22

H20 = H, + C ni (%C, H,,,)

y si se tiene un exceso de aire de n, el oxígeno Y el nitrógeno presentes en los gases de combustión Será:

o, = (n-1) Y N, = 3.76*n*0, ( 4 0 )

Donde es el calculado para gases en la sección de aire estequiométrico.

Así, con lo anterior se tendrá la cantidad de moles de los gases. La cual es:

g = CO, + H,O + O, + N, moles de gases de combustión. ( 4 1 )

Si se requiere el peso de los gases secos será:

G, = (CO,/44) +(O, /32) + ( N , / 2 8 ) Kg de gases secos. ( 4 2 )

O, para gases húmedos:

G, = (co2/44)+(H2O/18)+(O2/32)+(N,/28) Kg de gases húmedos. ( 4 3 )

Para poder expresarlo en kg gases/ kg combustible se hace lo siguiente:

7

Wgs = G, / C PM, * ni kg gases/kg combustible. ( 4 4 ) -

Donde PM, es el peso molecular del componente i de el combustible.

En el caso que el análisis químico del combustible indique que existen más componentes, se harán los cálculos necesarios para tener la composición de los gases de combustión.

23

3.6. EQUIPO DE COMBUSTIÓN.

3.6.1. QUEMADOD.

Para quemar los distintos combustibles se requieren dispositivos adecuados para cada caso llamados quemadores, los cuales sirven para lograr una buena mezcla aire combustible y regular la estabilidad de la flama.

El quemador es el encargado de crear y mantener la flama; el diseño, instalación y funcionamiento representan factores importantes para tener un buen aprovechamiento de la energía liberada por el combustible, por ello debe de tenerse especial atención en el trabajo de planta.

Independientemente del tipo de quemador, éste debe de cumplir con las siguientes funciones :

3 . Proporcionar un buen mezclado entre el aire y el combustible.

4 . Iniciar el quemado de la mezcla.

5. Dar el impulso a los gases de combustión para desplazarlos.

De acuerdo con la aerodinámica los quemadores se clasifican en:

- Quemadores con **swirl** (rotación) . - Quemadores de flujo axial.

7

- Quemadores tangenciales.

Quemador con swirl.

Son los más comunes (figura 1) . Poseen un registro de aire tipo **tambor** con compuertas radiales y una garganta cilíndrica que se hace divergente hacia la salida del hogar.

24

En estos, las compuertas radiales del registro le dan al aire de combustión un movimiento de rotación, que induce un mezclado con el combustible y produce una turbulencia a la salida del quemador.

I -*--

FIGURA 1

Al cambiar la abertura de las compuertas se varía el f l u j o de aire al quemador. Dentro de ciertos limites se puede regular la forma de la flama al modificar la relación entre el movimiento de rotación y axial del aire.

Quemador de flujo axial.

Este tipo de quemadores posee un registro en forma de venturi (figura 2), de modo que la caída de presión se reduzca al mínimo. Por esta razón se les suele llamar 'Iquemadores con recepción de presiónt1.

Para estabilizar la flama, utiliza un difusor de aspas fijas, de cuyo diseño depende, en buena medida, la forma de la flama.

25

I aire

I

FIGURA 2.

Quemador tangencial.

Los límites prácticos de un quemador son de aproximadamente 4000 kg/h de combustible, esto es, de alrededor de 4x10’ kcal/h. Si para un caso determinado se requiere quemar una cantidad mayor de combustible, es preferible utilizar varios quemadores pequeños en lugar de uno grande. Claro que se incrementa el costo del equipo pero brinda dos ventajas importantes:

a) Se obtiene mejor control de la distribución del caloryen el hogar.

b) Se puede, mediante el encendido y apagado de uno o varios .

quemadores, una variación mucho más amplia del consumo de combustible manteniendo buenas condiciones de combustión.

Por esto, los quemadores tangenciales son un ejemplo de agrupación de quemadores, que dentro de ciertos límites, operan como si fueran uno solo, formando una flama única entre todos (figura 3 . ) .

26

PILOTO

ENTRAOA DEL coum.mnem

c€lEcrmc€Rw* I FIGURA 3 .

QUEMADORES PARA GAS.

Para quemar combustible gaseoso, se tienen dos tipos de quemadores: de premezcla y de difusión.

Los quemadores de premezcla producen una f lama corta y azul, que se concentra en la boca del quemador; los de difusión producen una flama más larga y luminosa.

El gas presenta la posibilidad de regular muy bien la relación aire-combustible, con lo que se logra un mezclado más homogéneo y, por ende, una mejor combustión.

t

Los quemadores de premezcla (figura 4 . ) más comunes son los tipp eyector, en el cual el gas, al pasar por la boquilla, arrastra aire a través de las compuertas de admisión.

Al regular las compuertas de aire primario pueden obtenerse distintos grados de premezcla lo que permite, dentro de ciertos límites, modular la longitud y la luminosidad de la flama.

27

w. I I

I I "=

FIGURA 4 .

Los quemadores de difusión constan generalmente de un registro, el cual regula la entrada del aire (axial o con ttswirlvt) y un dispositivo para introducir el gas. Este puede ser una tobera central, varias lanzas distribuidas en la boca del quemador o un anillo perforado (figura 5.).

I SECVUOARIO

I

FIGURA 5.

28

3.6.2. ATOMIZACION.

La combustión de lfquidos requiere del uso de atomizadores o aspersores que transforman la corriente del combustible que llega a los quemadores en una nube de gotas pequeñas e imprimen a las mismas velocidades y trayectorias tales que aseguren un buen mezclado con el aire de combustión.

Los atomizadores pueden clasificarse con diversos criterios: por la forma del spray que producen, si emplea o no un fluido auxiliar, o bien, por la fuente de energía que emplean para romper el líquido en gotas.

Considerando la forma del spray; en quemadores de caldera se utilizan los que producen formas cónicas de dos tipos: cono hueco y cono sólido. Los primeros producen gotas que se concentran en la superficie del cono, quedando el centro sin gotas, principalmente cerca del atomizador.

En los de cono sólido las gotas se acumulan uniformemente en todo el cono, con cierta tendencia a acumularse en el centro. Los de cono hueco se utilizan principalmente en quemadores con flujo de aire divergente (tlswirlnn) , mientras que los de cono sólido operan mejor en quemadores de flujo paralelo, lo que produce f lamas más largas.

Si se considera la fuente de energía y el uso de fluidos auxiliares, los atomizadores se clasifican en: a presión, a presión asistidos por otros fluidos y de dos fluidos (tabla V).

TABLA v. CLASIFICACI~N DE ATOMIZADORES.

ATOMIZADOR DESVENTAJAS VENTAJAS p

A PRESIóN VISCOSIDAD e20 cs. SIMPLE Y ECONóMICA 5 70

A PRESIÓN CON OPERAN FLUJOS RETORNO 3 0 < X < l O O % , P cte.

ATOM1 ZADOR CONSUMO DE AIRE O COMBUSTIBLE CON AIRE 0 VAPOR VAPOR ES DEL 5 Y VISCOSIDAD I 5 0 cs. 5<P<10 AIRE O

VAPOR 1<P<2 10% DEL CONSUMO DEL COMBUSTIBLE.

29

4. GENERADORES DE VAPOR.

4.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA GENERACI~N DE VAPOR.

En la generación de vapor, el elemento principal para trabajar es el agua, la cual al estar en estado líquido tiene las siguientes características:

- Es prácticamente incomprensible, su volumen específico varía muy poco con la presión.

- Tiene un volumen determinado y se adapta al recipiente que la contiene.

En cambio un gas es:

- Altamente compresible, la variación de su volumen específico con respecto a la presión es bastante apreciable.

- Se expande en todas direcciones con las únicas limitaciones de la fuerza de gravedad o a las paredes del recipiente que lo contiene.

Con respecto al vapor de agua, este tiene una serie de características muy parecidas a las de los gases, cuando el vapor se encuentra seco y sobrecalentado, pero cuando es un vapor saturado se encuentra en un estado entre el gas y el líquido, es decir, cerca de la condensación.

En la generación de vapor existe un cambio de estado del agua líquida a vapor. Las razones por las que se prefiere trabajar mejor con vapor son : t

- A una misma masa, temperatura y presión, el contenido de energía del vapor es notablemente mayor al del líquido. -

- En las redes de distribución existe una marcada diferencia entre un líquido y un gas. Para un líquido, en su transportación con su contenido térmico, hay que utilizar un equipo de bombeo para suministrar energía mecánica para hacer circular el líquido, en cambio cuando se trabaja con vapor este tiende a "moverse" por si mismo y no se necesita un equipo específico para impulsarlo, aunque parte de la energía térmica la usa para ltmoversell, su agente motor es la diferencia de presiones en la red.

30

- Los requerimientos del proceso pueden demandar diferentes condiciones de presión y temperatura. Con el vapor se pueden satisfacer más fácilmente que con el líquido. Además se puede tener un mejor aprovechamiento del calor aportado por el vapor ya que se pueden escalonar el uso de vapores de características cada vez más degradadas.

- Cuando lo que se busca es la conversión a energía mecánica, ya bien en forma directa o con un paso intermedio por energía eléctrica, las ventajas con el vapor son teóricamente más prácticas.

ES el cambio de un cuerpo de la fase sólida o líquida a la fase vapor.

Es la vaporización de un líquido que tiene lugar exclusivamente en la superficie libre del líquido.

EVAPORACIÓN DE UNA CALDERA.

Es la cantidad (kg) de vapor que produce una caldera bajo determinadas condiciones de presión absoluta en una hora y con determinada temperatura del agua de alimentación. Por ejemplo, se dice de una caldera cuya evaporación sea de 1400 kg/hr a 8 . 8 kg/cm2 manométricas, instalada en la ciudad de Monterrey y a la que se alimenta agua de 6OOC. -

EVAPORACI~N EQUIVALENTE (NOMINAL).

Se refiere a la evaporación comparativa bajo condiciones de presión absoluta a nivel del mar o sea 1.033 kg/cm2 y agua de alimentación a 100OC.

31

FACTOR DE EVAPORACI~N.

Es la relación que existe entre la evaporación nominal, desde y a 100°C y la evaporación real bajo las condiciones efectivas de trabajo de la caldera.

F.E. = WE(kg/hr desde y a 100OC) / Wr(kg/hr reales) (45)

CABALLO CALDERA.

El caballo caldera se define como la evaporación de 15.65 kg/hr de agua a 100°C hasta vapor de 100OC.

Cuando una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera es porque es capaz de producir 15.65 kg/hr de vapor saturado de 100°C, utilizando agua de alimentación a la misma temperatura y lo cual equivale a 543.4 Kcal a la presión atmosférica y se expresa como:

CC = ms (hf -hi) / (543.4*15.65) (46)

Donde : ms = masa del flúido en kg/hr.

(hf-hi) = cantidad de energía absorbida por el fluido de trabajo en kcal/kg.

ejemplo: 7

Se requieren 9100 kg/hr efectivos de vapor, trabajando a 9.14 kg/cm2 de presión y se alimentara la caldera con agua de 6OoC, S-u factor de evaporación será (según la tabla VI.) F=1.118, por lo tanto se requerirá una caldera con capacidad nominal de:

(9100 kg/hr)*(1.118) = 10174 kg/hr de vapor.

CC = 10174 kg/hr/l5.65 kg/hr = 650 caballos caldera.

32

TABLA VI. FACTOR DE- E V A P O R A C I O N

10

o. 70

U

1.19

2.111

1.17

*.lb

1.15

1.14

1 . 1 3

1.12

1.11

l.10

1.119

1.on

1 - 0 7

1 . 0 6

1 . 0 5

1 . 0 1

i 02

1.03

1 . 0 1

1. .1

20

1.20

1.19

1. i n 1 . 1 7

1 . 1 6

1 .15

l. 1 4

1.13

1 . 1 2

1. I%

1 . 1 0

1.09

1.011

I 07

1 . 0 6

1 .05

1 . 0 ,

1. O 3

t o2

7.03 ?.m I00 119 170

12 a

1 231

1 225

1 215

I 20.

1 194

1 111

1 171

I 161

I 153

1 L13

1 132

1 122

1 112

1 102

1 091

I on, I 071

1 . 0 6 0

1 050

33

CAPACIDAD NOMINAL.

Donde : Sc = superficie de calefacción.

CAPACIDAD REAL.

Se obtiene de la siguiente forma:

Cr = Q/8450

Q = w(hv-hc)

Donde :

Q =

w =

hv =

hc =

cantidad de calor que se está transmitiendo al fluido por hora en kcal.

cantidad de vapor que está produciendo la caldera por hora en kg.

entalpía que lleva la unidad de peso del vapor.

entalpía que lleva la unidad de peso del agua de alimentación de la caldera (en condiciones equivalentes).

PORCENTAJE DE CARGA.

Se llama porcentaje de carga de una caldera a la relación que existe entre el calor que transmite por hora y el que debía de transmitir de acuerdo con su superficie de calefacción a razón de 8450 kcal/hr/CC.

R = (Cr/Cn)*loo

Q = CC* (8450) *R/100

4.2. EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE VAPOR.

Se puede definir la eficiencia de un generador de vapor como la relación que existe entre el calor aprovechado por el fluido (agua y vapor) y el calor suministrado por el combustible al ser quemado.

Pero la eficiencia de un generador de vapor se ve afectada por distintos factores como:

- Diseño y mantenimiento de sus distintos equipos, así como del estado de operación del momento.

- Diseño del quemador y posibilidad de éste para ser ajustado a distintos tipos de operación y regulación de la relación aire y combustible.

Es por lo anterior que se tendrá una eficiencia distinta para cada tipo y momento de operación, así como el tiempo que lleva funcionando el generador de vapor. De esta forma se tendrá que diferenciar las distintas eficiencias definiendo cada una de ellas.

La eficiencia actual es aquella medida en campo, en el estado actual de operación y mantenimiento y variará de acuerdo al combustible usado y del equipo de recuperación de calor de los gases de combustión.

La eficiencia mejorada que es aquella que se obtiene después de efectuarse algunos ajustes en la operación y reparaciones menores, como pueden ser la optimización del exceso del aire.

Y

La eficiencia máxima económicamente alcanzable qué se logra al añadir e instrumentar a la caldera los actuales equipos y accesorios que incrementan su eficiencia de operación, considerando el aspecto económico. Por ello deben de analizarse las repercusiones de la instalación de equipos auxiliares, para cada caso particular se debe de analizar su impacto en la inversión hecha.

La eficiencia máxima alcanzable es aquella que se logra al añadir e instrumentar los equipos actualeshmás eficientes, sin tomar en cuenta el costo de ellos.

35

PERDIDAS POR LAS PAREDES.

Las pérdidas por las paredes se deben a los mecanismos de transferencia de calor que son:

o convección,

- conducción y

o radiación.

Esta transferencia se lleva acabo en la superficie de la caldera, y varía si la caldera se encuentra instalada a la intemperie o dentro de un edificio, también se ve afectada por la tasa de generación de vapor.

TASA DE GENERACI~N DE VAPOR.

La tasa de generación de vapor (carga de la caldera) es un factor importante que afecta directamente la eficiencia de un generador de vapor, el cual se dice que es un parámetro difícilmente controlable que obedece a las demandas de vapor, por ello se debe poner énfasis en tener una buena administración de la demanda de vapor para controlar las demandas de carga variable.

Para poder hacer un cálculo de la eficiencia de un generador de vapor lo primero es delimitar las fronteras del sistema a analizar. En la figura 6 se aprecian las fronteras del sistema seleccionadas.

37

:c

: LmulDa

I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

FIGURA 6 .

Existen dos métodos para calcular la eficiencia global de un generador de vapor y son:

MÉTODO DIRECTO.

Este método es conocido también como el método de las entradas y salidas, consiste en medir las principales entradas de eneqgía así como sus salidas, considerando un balance de energía.

-

Los principales factores a medir para obtener la entrada y salida de energía al sistema es preciso el gasto del combustible; también se debe de medir la presión, la temperatura y el gasto del agua de alimentación y el vapor generado para determinar el flujo de energía de salida.

Debido a la precisión y gran cantidad de mediciones a realizarse y por ende un aumento en el error que se puede llegar a tener, este método resulta poco práctico.

La eficiencia se define como la relación entre el calor absorbido por el fluido de trabajo y la energía que entra a la caldera y se obtiene de la siguiente relación:

energfaaprovechada Og = energíade entrada ( 5 3 )

- - calor absorbido por e l f l u i d o d e trabajo energía en el combustible (54)

&TODO DE LAS PERDIDAS.

Este método se basa en la identificación de las distintas flujos de energía para determinar la energía consumida por el proceso de generación de vapor y las pérdidas de estos flujos.

Se considera que la energía útil es la diferencia entre la consumida y las pérdidas, la eficiencia se puede obtener mediante la siguiente ecuación:

E f i c i e n c i a (q ) = (1- P 4 r di das Energfa consumida )*loo B

7

La utilización de este método o método indirecto requiere de la medición y determinación de las diferentes pérdidas en- todo el sistema. Para poder aplicar el método de las pérdidas se requiere un análisis de los gases de salida, ya que la mayor parte de las pérdidas se encuentra en este flujo; se debe de conocer las características del agua de alimentación, el análisis de la composición del combustible y tomar en cuenta las pérdidas por la pared.

Para el cálculo de la eficiencia de una caldera es necesario medir la temperatura de los gases de combustión, la temperatura del aire y del combustible antes de entrar al generador de vapor y la

39

temperatura del agua de alimentación.

PERDIDAS POR LOS GASES SECOS DE COMBUSTIÓN.

Para esta evaluación se requiere:

- El análisis de los gases de combustión, con 61 se puede determinar el exceso de aire.

- La masa de l o s gases de escape calculado con la ecuación (36) si es un combustible sólido o líquido, o con la ecuación ( 4 4 ) si es un combustible gaseoso.

- La temperatura de los gases de salida.

- El exceso del aire de combustión, en caso de no tener el análisis respectivo de los gases.

Con los datos anteriores y el calor específico de l o s gases se pude evaluar las pérdidas por gases secos en kcal por kg de combustible como :

Donde :

wss = Kg de gases secos de combustión/kg de combustible.

T, = Temperatura de los gases secos a la salida de la chimenea en OC.

Tll 7

= Es la temperatura de referencia que puede ser la temperatura ambiente en OC.

CPpromcdiogasessccos = es el calor específico promedio de los gases secos de combustión que se calcula como:

Donde :

Cpi = Es el calor especifico del i-ésimo componente de los gases de combustión en kcal/kg.

40

Xi = Es la fracción volumétrica del i-ésimo componente de los gases de combustión.

PERDIDA POR HUMEDAD EN EL AIRE.

calcular este concepto se requieren los siguientes datos:

Temperatura a la salida de la chimenea (T,) en OC.

Entalpía del vapor del agua a la temperatura a la salida de la chimenea y a la presión atmosférica (Kg) de tablas de vapor sobrecalentado en kcal/kg.

Entalpía del vapor de agua saturado a la temperatura ambiente y presión atmosférica (Hva) de tablas de vapor saturado en kcal/kg.

El cálculo se hace con la siguiente ecuación:

P, = WHZO*(Hvg - Hva) (kcal/kg combustible)

Donde :

W,, = es el peso del agua en el aire entre kg de combustible obtenido de la resta de la ecuación ( 2 6 ) menos la ecuación (15) y multiplicado por el factor de exceso de aire (n), esto si el combustible es sólido o líquido, y para combustibles gaseosos es la resta de la ecuación (27) menos la ( 2 3 ) y todo multiplicado por el factor de exceso de aire (n); en kg aire entre kg de combustible.

7

PERDIDA POR HUMEDAD EN EL COMBUSTIBLE. -

Para calcular la pérdida por humedad en el combustible es necesaria la siguiente información:

- La entalpía H,, en kcal/kg.

- La entalpía del agua líquida con la temperatura ambiente a bulbo seco (ka) en kcal/kg.

- La humedad del combustible en kg de agua entre kg de

combustible (h,) . Y se calcula como:

hc* ( K g - %a) (kcal/kg combustible)

PERDIDA POR COMBUSTI~N DE HIDR~GENO.

(59)

En la combustión de hidrógeno se forma agua que al salir por la chimenea se lleva calor latente.

Para calcular este concepto se necesita lo siguiente:

- La entalpía H,, en kcal/kg.

- La entalpía H,, en kcal/kg.

- El peso del hidrógeno ( H ) del combustible en kg de hidrógeno entre kg de combustible.

La ecuación es la siguiente:

PC, 8 * 9 3 6 * H * ( I t , - Hwa) (kcal/kg de combustible) ( 6 0 )

PERDIDAS POR INQUEMADOS.

Las perdidas ocasionadas por los productos inquemados (hidrógeno, carbón, monóxido de carbono, carbono libre e hidrocarburos) se pueden evaluar para cada uno de ellos. 7

PERDIDAS POR CO.

Datos necesarios:

- Porcentaje en peso del carbono en el combustible (C)

- Porcentaje en volumen de Co en los gases de combustión (CO) en base seca.

- Porcentaje en volumen de CO, en l o s gases de combustión

42

((20,) en base seca.

PC0=5.650*-* C co 1 o o co+ co, (kcal/kgcombustible)

PERDIDAS POR HIDR~GENO.

Para encontrar esta pérdida se usa la siguiente ecuación:

P, = 0.97*PO (kcal/kg combustible).

Donde :

PC, es la pérdida por CO inquemado calculado en el punto anterior.

PERDIDAS DE CALOR POR CARBONO LIBRE.

Se tiene que conocer el peso del carbono libre en los humos (p) en kg de carbono entre kg de combustible, calculándose con la siguiente relación:

PC, = 8080*p (kcal/ kg de combustible). (63 1

PERDIDAS POR LAS PAREDES. -

Las pérdidas por paredes se pueden estudiar y calcular dividiéndose en los tres procesos por los que se lleva acabo:

PERDIDAS POR CONDUCCI~N.

Se calculan con la siguiente ecuación:

43

Q = k*(T, - T,) /1 (kcal/h*m* ) .

Donde :

TI = Temperatura de la pared interior en O C .

TZ = Temperatura de la pared exterior en OC.

k = Conductividad térmica del material, en función de la temperatura en kcal/h*m2/m.

1 = Es el espesor del sólido en la dirección de la transferencia de calor en metros.

Si se requiere la pérdida de calor en kcal/kg de combustible la ecuación (64) se de multiplicar por el área de transferencia de calor (A) en metros cuadrados y dividir por el flujo de combustible (J) en kilogramo de combustible por hora; por lo tanto la ecuación (64) queda como:

PC = A*k* (T, - T,) / (l*J) (kcal/kg de combustible). ( 6 5 )

PERDIDAS POR CONVECCION.

Se encuentran con la ecuación siguiente:

(kcal/kg combustible). - T,) /J PC, = A*&* (T,

Donde :

A = Area de transferencia de calor en metros cuadrados.+

h, = Coeficiente de transmisión por convección en kcal/h*m2*OC. este valor depende si la convección- es - forzada o no.

Ts = Temperatura de la superficie del sólido en OC.

Tm = Temperatura media del fluido en OC.

J = Flujo del combustible en kg combustible/h.

44

PERDIDAS POR RADIACI~N.

Se obtiene como:

P, = A*a*e*(TI4 - T:)/J (kcal/kg combustible).

Donde :

A = Es el área de transmisión en m2.

iY = Es una constante igual a 4 . 8 8 X kcal/h*m2*OK.

e = Emisividad del material radiante.

Tl = Temperatura del cuerpo emisor en OK.

T2 = Temperatura d e l cuerpo receptor en O K .

J = Flujo del combustible en kg combustible/h.

El cálculo de las pérdidas totales por la pared se puede efectuar por una sumatoria para cada área considerada; de esta forma y para comodidad en los cálculos se divide en varias partes y se considera una área de transferencia y al final se suman todas las contribuciones.

PERDIDAS POR PURGAS.

Para calcular las pérdidas por purgas primero se debe de conocer la cantidad en kg por hora y son calculadas como: Y

purga = ( SDspoMcida/ (SD-, -SDwm&b) ) *Aportación (kg/h) ( 6 8 ) -

Donde :

~DapctItación - - sólidos disueltos que entran con el agua nueva de alimentación en ppm.

SDfddera = Sólidos disueltos totales que existen en la caldera en ppm.

Aportación = Es el agua de alimentación que entra a la caldera en kg/h.

Una vez calculada la cantidad de las purgas se Calcula la Pérdida por purgas como:

Ppurga = (purga*H,/Q,) *loo% (69)

Donde:

Purga = Es lo calculado en la ecuación ( 6 8 ) en kg/h.

H, = Es la entalpía del agua de la caldera a la temperatura de saturación correspondiente a la presión del calderín en kcal/h.

Q, = Cantidad de calor que entra al hogar en kcal/h.

PERDIDAS POR VAPOR DE ATOMIZACION.

Las pérdidas por vapor de vaporización se refieren a la utilización de vapor para la atomización del combustible líquido que se usa en un generador de vapor cuando este vapor proviene de la misma unidad de generación de vapor. Esta pérdida se calcula como:

Pva = Wvat * (Kg - K a t ) (kcal/kg de combustible). (70)

Donde :

Wvat = Flujo del vapor de atomización en kg por kg de combustible.

H"g = Entalpía del vapor de agua en l o s gases de escape de tablas de vapor sobrecalentado a la .

temperatura de los gases a la salida de la chimenea, en kcal/kg .

K a t = Entalpía del vapor de atomización de tablas de vapor sobrecalentada a la temperatura y presión del vapor de atomización, en kcal/kg.

Una vez que se calcularon las pérdida lo que sigue es calcular las entradas de energía al generador de vapor.

46

GANANCIAS.

POR AIRE CALIENTE.

Si existen precalentadores aire-vapor y el vapor proviene de otra unidad, se hace el cálculo siguiente:

Donde :

w, = Flujo del aire de combustión en kg aire/kg combustible, que se puede obtener multiplicando la ecuación (15) por el índice de exceso de aire (n), si el combustible es sólido o líquido. Para combustibles gaseosos se multiplica la ecuación ( 2 3 ) por el índice de exceso de aire (n) .

C p a = Capacidad calorífica del aire en kcal/kg*OC.

T 2 a = Temperatura promedio del aire a la salida del precalentador en OC.

TI, = Temperatura promedio del aire a la entrada del precalentador en OC.

POR VAPOR DE ATOMIZACION.

7 Es una ganancia si el vapor de atomización proviene de otra unidad generadora de vapor y se calcula como:

-

%at = Wvat* (%at - &a) (kcal/kg combustible). ( 7 2 )

Donde :

K a t = Entalpía del vapor de atomización de tablas de vapor sobrecalentada a la temperatura y presión del vapor de atomización, en kcal/kg.

y.. = Entalpía del vapor de agua saturada a l a temperatura ambiente y presión atmosférica de

tablas de vapor saturado en kcal/kg.

POR CALOR SENSIBLE EN EL COMBUSTIBLE.

El combustible contiene calor sensible, que se encuentra como:

GCC = (1 kg) *c,* (Tc - Tabs) (kcal/kg combustible) . ( 7 3 )

Donde :

c, =

T, =

Capacidad calorífica del combustible en kcal/kg*OC.

Temperatura del combustible antes de entrar a la caldera, si sufre un precalentamiento y si se usa vapor que proviene de otra unidad T, será la temperatura a la salida del precalentador en OC.

Tabs = Temperatura ambiente a bulbo seco en OC.

POR CALOR DE COMBUSTIóN.

Otra contribución la representa la energía suministrada por el combustible y se calcula como:

Gcdorcmbustih = PCS (kcal/kg combustible) . ( 7 4 ) t

48

4.3. METODOLOG~PARA EL DIAGNOSTICO ENERGÉTICO DE UN GENERADOR DE VAPOR.

Para el diagnóstico energético de un generador de vapor se toma en cuenta la eficiencia que puede sufrir un deterioro con el paso del tiempo.

Para llevar a cabo el diagnóstico se necesita conocer las condiciones de funcionamiento del generador de vapor tomando en cuenta que la eficiencia es la relación entre la energia consumida que es útil para la generación de vapor entre la energía consumida. Por esto se debe de conocer las condiciones de la eficiencia la cual debe de tener en cuenta el valor de la eficiencia calculada en el diagnóstico y se hace lo siguiente:

1. Comparar la eficiencia calculada con la reportada en su diseño; si la eficiencia calculada es menor a la de diseño significará que la caldera está en malas condiciones.

2 . Si no se cuenta con la eficiencia de diseño se procede como sigue :

a) En el caso de generadores sin equipo recuperador se tendrd una eficiencia promedio de 70 _+ 5 %.

b) Para generadores acuatubulares con equipo recuperador se tiene una eficiencia promedio de 80 k 5 %.

c) Para generadores pirotubulares se tiene una eficiencia normal de 80 2 4 %.

Por lo tanto, si el generador tiene una eficiencia dentra de los valores anteriores, la eficiencia del generador no tendrá una mejora notable.

El paso siguiente es identificar las pérdidas de energía considerando primero una combustión perfecta, donde las pérdidas serán exclusivamente del equipo del generador.

Una vez identificadas las pérdidas de energía, se debe de considerar la magnitud de estas pérdidas para enumerarlas de mayor a menor y poder identificar los posibles ajustes al proceso afectado para evaluar si la eficiencia se ve mejorada.

4.4. ALGORITMO PARA CALCULAR LA EFICIENCIA DE UN GF,NERADOR DE VAPOR.

Para obtener la eficiencia de una caldera se requiere recopilar los siguientes datos:

4.4.1. VARIABLES A MEDIR.

T E M P E R A T U R A S :

T, = OC (temperatura ambiente bulbo seco).

T, = OC (temperatura ambiente bulbo húmedo).

T, = OC (temperatura del combustible antes de quemarse).

T, = OC (temperatura de gases de la chimenea).

T, = OC (temperatura del aire a la entrada de la caldera). si existe precalentador de aire entonces dar:

TI, = OC (temperatura del aire antes del precalentador).

T, = OC (temperatura del aire después del precalentador).

TI = OC (temperatura de la zona más caliente del área estudiada para calcular la pérdida de calor por conducción).

Tz - - OC (temperatura de la zona más fría del área estudiada para calcular la pérdida de calor por conducción).

T, = OC (temperatura del sólido estudiado para calcular la pérdida de calor por convección).

TIn - OC (temperatura del fluido sobre el sólido estudiado para - calcular la pérdida por convección). t

TE = o c (temperatura del cuerpo emisor para calcular la pérdida de calor por radiación). -

T, = O C (temperatura del cuerpo receptor para calcular la pérdida de calor por radiación).

PRESIONES:

Pam Kg/cm' (presión atmosférica).

PCP!&* - - Kg/cm2 (presión del calderín).

50

FLUJOS MASICOS: J, = kg combustible/h (flujo del combustible usado).

J, = kg agua/h (flujo del agua de alimentación).

PODER CALORIFIC0 SUPERIOR DEL COMBUSTIBLE. PCS = kcal/kg.

Tipo de combustible

ANÁLBIS DE LOS GASES DE COMBUSTIóN. En el caso de poder obtener un análisis de los gases de combustión se llenará lo siguiente:

composición % volumen composición PPm COZ C co SO2 0 2

N2 H2O

De este análisis y de la composición en % peso del combustible quemado se puede obtener el exceso de aire como:

LOS indices C , H, y S son en porciento peso, los indices % O, y % COZY son en % volumen.

Si no se tiene la composición de l o s gases de combustión esta parte s e no se toma en cuenta.

4.4.2. CONSTANTES REQUERIDAS. c, = kcal/kg°C (capacidad calorifica del combustible).

c, = kcal/kg*OC (capacidad calorifica del aire).

k = (kcal*m)/h*m2*oC (conductividad térmica del material estudiado para calcular las pérdidas de calor por conducción).

b u = kcal/h*m2*oC (coeficiente de transmisión desde la superficie

51

al fluido para calcular la pérdida de calor por convección).

CP DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN EN kcal/kg 'C. Cm, = 0.36-(5.378/(1.8*TG+492)'R )+(47.836/(1.8*TG+492)) =

CpNz = O . 3384- ( 123.99/ ( 1. 8*TG+492 ) ) + (41449.11/ ( 1. 8*TG+492 ) ') =

Cp-0 = 0.338-(117.56/(1.8*TG+492))+(38233.23/(1.8*TG+492)2 =

Cp, = 2.851+(0.2891E-3*(1.8*TG+492))+(10.05/(1.8*TG+492)'~ =

Cp,, = 1.1039-(33.183/(1.8*TG+492)'~)+(416.87/(l.8*TG+492)) =

SI EL COMBUSTIBLE ES LÍQUIDO ENTONCES HAY QUE DAR LOS SIGUIENTES DATOS:

Si en la atomización del combustible se utiliza vapor se requiere además:

W",, = kg vapor/kg combustible (solo si el vapor proviene de otra unidad)

Tat = OC (temperatura del vapor de atomización).

p,, = kg/cm' (presión del vapor de atomización).

Si no se tiene el poder calorífico superior del combustible se puede calcular con la densidad.

d - PCS = 12,400-2100 d2 (kcal/kg).

- g/cm3 (densidad promedio del combustible).

SI EL COMBUSTIBLE ES SOLIDO :

Pcs = [80.8*%c+344*[%H-(%0/8)]+22.2*%S] Kcal/Kg -

SI ES GASEOSO SE OBTIENE DE TABLAS O DE DATOS DEL DISTRIBUIDOR. PARA UNA MEZCLA DE GASES SE HACE LO SIGUIENTE :

PCSm = x (X,*Pcs,)

ENTALPIAS (kcal/kg) Para el vapor de agua en los gases se obtiene de tablas de vapor

52

sobrecalentado con la Tg y P,:

Kg = kcal/kg.

Para el vapor de agua, de tablas de vapor saturado con T, y P,:

y 1 = kcal/kg.

Para el agua, de tablas de vapor saturado (lado del agua líquida) con T, y Palm:

H,= kcal/kg.

Para el vapor de atomización, de tablas de vapor sobrecalentado con T , y Pa,:

Kt = kcal/kg.

Para el agua de la caldera a la temperatura de saturación correspondiente a la presión del calderín (P&h):

H, = kcal/kg.

53

4.4.3. CALCULO DEL AIRE Y PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN COMPLETA.

Para el cálculo del aire y los productos de combustión para el combustible usado se sigue el siguiente procedimiento:

COLUMNA A B C D E F G H I J K 1 ínea div. %vol.o rnult. O, CO, SO, N, CO H,O COMPOSICIóN %peso. PM no.rnoles por req. /PM /PM /PM /PM /PM

1 2 3 4 S

6

7

8

9 10

11 12

13 14 15 16 17

12 1 2 0.5

32 1 28 32 -1

18

"

"

coz 44 "

CENIZA "

SUMA o, TEÓRICO REQUERIDO = LÍNEA 9 (COLUMNAF)= moles

DAR n (EL EXCESO DE AIRE) - - %

O, EXCESO =(LÍNEA 11* LÍNEA 10)/10o = moles

O, REQUERIDO =LfNEA (10+12) = moles

AIRE SUMINISTRADO SECO =(3.76*LÍNEA 13)+ LÍNEA 13 = moles DAR PRESIóN BAROdTRICA EN mm Hg = Hg DAR LA PRESIONA DE SATURACI~N DEL AGUA A TEMP.AMB.= Hg DAR LA HUMEDAD RELATIVA - - %

18 PESO HúMEDO DEL AIRE! = *

19 20

21

21'

22

= (LINEA14*29)+( 18*LINEA14*LINEA16*LINEAl7/ (LÍNEA 15-(LINEA16*LINEA17) ) ) - - (kg)

PESO SECO DE GASES DE COMBUSTIóN= LÍNEA 9 (COLUMNAS G,H,I y J)= Kg- PESO HúMEDO = LÍNEA 9 (COLUMNAS G,H,I,J y K= Kg

PARA COMBUSTIBLES SOLIWS Y LÍQUIDOS WA (PESO AIRE/PESO COMB.) =LÍNEA 20/100 = (Kg AIRE/Kg COMB.)

PARA COMBUSTIBLES GASEOSOS

WA =LINEAlS/(X(MOLES DE C/COMP.*PMi)(COMBUSTIBLE) - kg gases/kg combustible.

PARA COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y SOLIDOS

WGS =LfNEA 19/100 = Kg GASES/Kg COMB.

PARA OASES

22 w,, =LINEA 19/(C(moles COMP.,*PM,)COMB.) - - Kg GASES/Kg COMBUSTIBLE

23 WGH (PARA LÍQUIDOS Y SOLIDOS) =LÍNEA 20/100= Kg GASES/Kg COMB. 23 ' W,, ( PARA COMB. GASEOSOS ) =LÍNEA 20/(~(moles COMP.;*PM+)COMB.)

- - Kg GASES/Kg COMBUSTIBLE

PERDIDAS. P,(pérdidas por gases secos ec.56) = kcal/kg combustible.

humedad en el aire ec.58) = kcallkg combustible. humedad en el combustible ec.59) = kcallkg combustible. combustión de hidrógeno ec.60) = kcal/kg combustible. CO ec. 61) = kcal/kg combustible. hidrógeno ec.62) = kcal/kg combustible. carbono libre ec.63)= kcallkg combustible.

Pc(por conducción ec.65)= kcal/ kg de combustible. P,(por convección ec.66) = kcallkg combustible. P,(por radiación ec.67) = kcal/kg combustible. P,,(por purgas ec. 69) = %.

P,(por vapor de atomización ec.70) = kcal/kg.

GANANCIAS. G,,(por aire caliente ec.71) = kcal/kg combustible. G,(por vapor de atomización ec.72) = kcal/kg combustible. G,(calor sensible en el combustible ec.73)= kcal/kg combustible.

CALCULO DE LA EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE

P, = P, + P, + P, + P, + P, + pH + PC, + PC + P, + + p,, + 'Va

La suma de las pérdidas totales es :

- - kcal/kg combustible. La suma de las entradas de energía simplificadas como: G, = G, + G,, + G, + PCS = kcal/kg combustible.

E P g r d i d a s x Ganancias Og=(l- ) x1 00%

55

4.5. APLICACI~N A UN CASO REAL. Se pudieron recopilar los siguientes datos: Caldera Cleaver Brooks con una presión de diseño de 10.5 kg/cm2, y una presión de operación de O. 6 a O. 7 kg/cm2, la cual quema gas natural.

Tab = 2 4 OC (temperatura ambiente bulbo seco).

T, = 25 O C (temperatura ambiente bulbo húmedo).

T, = 25 'C (temperatura del combustible antes de quemarse).

T, = 240 OC (temperatura de gases de la chimenea).

T, = 26.1 OC (temperatura del aire a la entrada de la caldera).

si existe precalentador de aire entonces dar:

TI, = OC (temperatura del aire antes del precalentador).

T, = O C (temperatura del aire después del precalentador).

T, = OC (temperatura de la zona más caliente del área estudiada para calcular la pérdida de calor por conducción).

T, = 80 OC (temperatura de la zona más fría del área estudiada para calcular la pérdida de calor por conducción).

T, = ' 60 OC (temperatura del sólido estudiado para calcular la pérdida de calor por convección).

TI0 - 26.1 OC (temperatura del fluido sobre el sólido estudiado para - calcular la pérdida por convección).

TE = 80 'C (temperatura del cuerpo emisor para calcular la pérdida de calor por radiación).

T, = 24 OC (temperatura del cuerpo receptor para calcular la grdida de calor por radiación).

PRESIONES:

pa, = 0.77 Kg/cmZ (presión atmosférica).

P-* = 10.5 Kg/cm' (presión del calderín) .

FLUJOS MASICOS:

J, = 35.56 kg combustible/h (flujo del combustible usado).

J, = kg agua/h (flujo del agua de alimentación).

56

En lugar del flujo del agua se cono ce el flujo de la purga el cuales:

Purga = 2.266 kg agua/h.

PODER CALORIFIC0 SUPERIOR DEL COMBUSTIBLE. PCS = 13905.36 kcal/kg.

Tipo de combustible: gas natural

ANÁLISIS DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN. En el caso de poder obtener un análisis de los gases de combustión se llenara lo siguiente:

composición % volumen composición PPm 11.9 C O

o. 001 O 4

84 o. o99

De este análisis y de la composición en % peso del combustible quemado se puede obtener el exceso de aire como:

n = 1.17

LOS indices C , H, y S son en porciento peso, los indices % O, y % CO, son en % volumen.

CONSTANTES REQUERIDAS. t

CF = kcal/kg°C (capacidad calorífica del combustible).

c, = kcal/kg*OC (capacidad calorífica del aire).

k = (kcal*m)/h*m2*oC (conductividad térmica del material estudiado para calcular las pérdida de calor por conducción).

h, = 1.05 kcal/h*m,*OC (coeficiente de transmisión desde la superficie al fluido para calcular la pérdida de calor por convección).

CP DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN EN kcai/kg 'C. Cm, = 0.36-(5.378/(1.8*TG+492)'n )+(47.836/(1.8*TG+492)) = 0 . 2 3 4 8

57

CpN2 = 0.3384-(123.99/(1.8*T~+492))+(41449.11/(1.8*T~+492)~ ) = 0.2528

C,, = 0.338-(117.56/(1.8*T~+492))+(38233.23/(1.8*T~+492)* = 0.2555

C,, = 2.851+(0.2891E-3*(1.8*T~+492))+(10.05/(~.8*TG+492)'~ = 3.1816

Cpmo = 1.1039-(33.183/(1.8*TG+492)'n)+(416.87/(l.8*TG +492)) = 0.4634

Cp-02 = o.3684-(148.48/ (1 .8*TG+492))+(32o61/ (1 .8*TG+492)2) = 0.2453

EL COMBUSTIBLE ES GASEOSO SE OBTIENE DE TABLAS O DE DATOS DEL DISTRIBUIDOR, PARA UNA MEZCLA DE GASES SE HACE LO SIGUIENTE :

PCSm = C (X,*PCS, ) = 13905.36 kcal/kg.

ENTALPM (kcallkg) Para el vapor de agua en los gases se obtiene de tablas de vapor sobrecalentado con la T, y P,, :

Kg = 669 kcal/kg.

Para el vapor de agua, de tablas de vapor saturado con T, y P,, :

H, = 609 kcal/kg.

Para el agua, de tablas de vapor saturado (lado del agua líquida) con T,, y Pa,

K, = 23.79 kcal/kg.

Para el vapor de atomización, de tablas de vapor sobrecalentado con T , , y P,,, :

&, = O kcal/kg.

Para el agua de la caldera a la temperatura de saturación correspondiente a la presión del calderín (P-~):

H, = 663 kcal/kg. 7

58

CALCULO DEL AIRE Y PRODUCTOS DE COMBUSTI~N COMPLETA.

COLUMNA A B C D E F G H I J K 1 ínea div. %vol .o mult . O, CO, SO, N, CO HZ0

COMPOSICI~N %peso. PM no.moles por req. /PM /PM /PM /PM /PM

1 C 12 105.6 1 105.6 4646.4 O 2 Hz 2 203.8 0.5 101.9 3668.4 3 S 32 O 1 O O 4 N2 28 0.5 " 14 5 O, 32 O -1 O 6 H20 18 O "

7 COZ 44 0.7 " 30.8 8 CENIZA O "

O

9 SUMA 310.6 207.5 4677.2 14 O 3668.4 10 O, TEÓRICO REQUERIDO = LÍNEA 9 (COLUMNAF)= 207.5 moles 11 DAR n (EL EXCESO DE AIRE) = 17 %

12 O, EXCESO =(LÍNEA 11* LÍNEA 10)/100 = 35.275 moles 13 O, REQUERIDO =LÍNEA (12+10) =242.775 moles 14 AIRE SUMINISTRADO SECO =(3.76*LÍNEA 13)+ LÍNEA 13 =1155.61 moles 15 DAR PRESIóN BAROMÉTRICA EN mm Hg = 585 mm Hg 16 DAR LA PRESIONA DE SATURACIóN DEL AGUA A TEMP.AMB.= 545 mm Hg 17 D A R LA HUMEDAD RELATIVA - - 60 %

18 PESO HÚMEDO DEL AIRE =

= (LINEA14*29)+(18*LINEAl4*LINEAl6*LINEA17/(LÍNEA 15-(LINEA16*LINEA17))) = 33561.03 kg.

19 PESO SECO DE GASES DE COMBUSTIóN= LÍNEA 9 (COLUMNAS G,H,I y J)= 4691.2 kg. 20 PESO HúMEDO = LÍNEA 9 (COLUMNAS G,H,I,J y K= 8359.Bkg.

PARA COMBUSTIBLES GASEOSOS

21 w, =LINEA 18/(C(MOLES DE C/COMP.*PMi)(COMBUSTIBLE) = 19.52 kg aire/kg combustible.

PARA GASES

22 WGS =LÍNEA lg/(X(rnoles COMP.,*PM,)COMB.) = 2.728 Kg GASES/Kg COMBUSTIBLE

23 wGH =LÍNEA 20/(~(moles COMP.,*PM,)COMB.) = 4.86 Kg GASES/Kg COMBUSTIBLE

PERDIDAS.

59

P,(pérdidas por gases secos ec.56) = 148.14 kcal/kg combustible. P,(por humedad en el aire ec.58) = 1.665 kcal/kg combustible. P,(por humedad en el combustible ec.59) = O kcal/kg combustible. P,(por combustión de hidrógeno ec. 60) = 1366 kcal/kg combustible. P,(por CO ec.61) = 0.35 x 10 kcal/kg combustible. P,(por hidrógeno ec.62) = 0.34 x lo" kcal/kg combustible. P,,(por carbono libre ec.63)= O kcal/kg combustible. P,(por conducción ec.65)= kcall kg de combustible. P,(por convección ec.66) = 287.8 kcal/kg combustible. P,(por radiación ec.67) = 4.7 kcal/kg combustible. P-(por purgas ec.69) = 10.8 %.

P,,(por vapor de atomización ec.70) = O kcal/kg.

GANANCIAS. G,,(por aire caliente ec.71) = O kcal/kg combustible. G,,(por vapor de atomización ec.72) = O kcal/kg combustible. G,(calor sensible en el combustible ec.73)= O kcal/kg combustible.

CALCULO DE LA EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE VAPOR. La suma de las pérdidas totales es: P, = P, + P, + P, + P, + P, + P" + PC, + PC + P, + P, + P,, + P",

= 1808.31 kcal/kg combustible. La suma de las entradas de energía simplificadas como: G, = G, + G, + G, + PCS = 13905.36 kcal/kg combustible.

y PBr d i das x Ganancias q = ( l - - ) x1 00%

t

= 76.19 %.

60

5. HORNOS

5.1.INTRODUCCIÓN. un Un horno es un sistema de combustión que tiene ~~ uso intensivo de

energía y por lo tanto es objeto de estudio para ahorro de energía. Debido a la gran variedad de hornos es conveniente el tener un algoritmo que permita, al igual que lo hecho con un generador de vapor, encontrar l o s factores que más impactan la eficiencia de un horno.

Una vez identificados los factores que afectan la eficiencia del horno se puede determinar si la eficiencia se encuentra dentro de los límites de operación adecuados, de no ser así se procede a hacer un estudio de las posibles mejoras económicamente factibles para incrementar la eficiencia del horno analizado.

5.2. EFICIENCIA.

Un balance de masa y energia muestra que lo que entra a un horno es lo mismo que sale cuando el uso del horno es únicamente para tratamiento térmico de los materiales y no van a existir reacciones químicas.

Por lo tanto la cantidad de calor total al sistema es:

Donde :

Q, = Es la cantidad de calor absorbida por la carga

P = Son las pérdidas del sistema en k j / s . en k j / s .

De esta forma se define la eficiencia de un horno como: -

61

Lo que sigue a continuación es identificar las principales pérdidas de calor del horno.

PERDIDAS POR LAS PAREDES.

Para los cálculos de las pérdidas por las paredes se supondrá un,a operación continua con flujo constante de calor a través de la pared.

Como se mencionó anteriormente para los generadores de vapor, las pérdidas por la pared se deben a las tres formas de transporte de energia y que son: conducción, convección y radiación.

PERDIDAS POR CONDUCCI~N.

Estas pérdidas se pueden calcular con la siguiente expresión:

Donde :

A = Es el área seleccionada para calcular las pérdidas por conducción en m*.

k = Conductividad térmica de la pared en KW/m°C.

TI = Temperatura de la superficie interior de la pared en OC.

TE = Temperatura de la superficie exterior de la pared en OC.

L = Espesor de la pared en m.

PERDIDAS POR CONVECCION. T

Considerando un flujo de gases a lo largo de paredes planas se puede tomar la siguiente ecuación para calcular las pérdidas por convección:

P, = 6.6038 * A * p * c * ( T, - T, ) (KW). (78)

Donde :

A = Area de la pared para calcular la pérdida por convección en m*.

p = Densidad del fluido en kg/m3.

62

c = Velocidad del fluido en m/s. T, = Temperatura de la pared en OC.

T, = Temperatura del fluido en OC.

PERDIDAS POR RADIACI~N.

El calor transmitido por radiación desde un sólido caliente es:

P, = A * 6 * ( 9, - 9, ) (m). (79 1

Donde :

A = Area de radiación (m2).

6 = Constante de Stefan-Boltzmann = 5.147 E -13 KW/m2 'd.

T, = Temperatura absoluta del cuerpo caliente ( O K ) .

T, = Temperatura absoluta del cuerpo frío ( O K ) .

PERDIDAS EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN.

En la salida de los gases por la chimenea, para los combustibles se expresa como:

Pg = Jo * Cpprmdio * ( T s - T o 1 (KW) (80)

Donde :

J, = Gasto volumétrico de los gases en m3/s.

T, = Temperatura de salida del horno de los gases en OC.

To = Temperatura a la que se llevan los gases en 7

OC. -

CPprmcdio = Calor específico promedio de los gases en kj/m3 *OC.

Donde el Cppnrmcdio se calcula con la ecuación siguiente:

En donde:

63

xi = Porcentaje en volumen de un componente de los gases de combustión.

CPi = Calor específico promedio de i-ésimo componente de la mezcla de gases de combustión en kj/m3 *OC.

PERDIDAS POR SALIDA DE LA CARGA.

Para el calculo del calor suministrado a la carga se tiene la siguiente expresión:

PC = m * C, * (Tca - Ti ) (KW) . Donde : m = Gasto de la carga que entra en el horno kg/s.

C,, = Calor especifico del material de la carga kj/kg*OC.

T,, = Temperatura a la que se quiere llevar la carga OC.

Ti = Temperatura de la carga a la entrada del horno OC.

ENTRADA DE ENERGÍA.

Las principales aportaciones de energía son:

- Calor sensible de las corrientes de entrada; aire, combustible, materias primas.

- Calor de combustión (hornos de combustión) o por efecto

- Reacciones exotérmicas de la carga.

Joule (hornos eléctricos). a

-

Para calcular el aporte de las corrientes se debe de conocer el flujo masico, la temperatura y la capacidad calorífica. Para conocer la energía cedida por las reacciones exotérmicas de la carga se requiere conocer los mecanismos del proceso.

CALOR DE COMBUSTIÓN.

En el caso que se utilice un horno de combustión se requerirá conocer lo siguiente:

64

G = Gasto de combustible en m3 /s.

PC1 = Poder calorífico inferior del combustible en kj/m3.

Y se utiliza la ecuación siguiente:

Q,, = G * PC1 (Kw).

Para hornos eléctricos se usa la relación;

Q, = I* * R Kw.

Donde :

I = Intensidad de corriente en Amperes.

R = Resistividad de la resistencia en ohms.

65

5.3. METODOLOGÍA PARA EL DIAGNOSTICO ENERGÉTICO DE UN HORNO.

Para realizar el diagnóstico energético- de un horno se deben de identificar las principales corrientes de energía que entran y que salen. Identificando los principales aportes de energía, también identificando las pérdidas y el aporte de calor cedido a carga se puede evaluar la eficiencia del horno.

Una vez obtenida la eficiencia del horno se procede a comparar el dato obtenido con la eficiencia de diseño. Si no se conoce este valor, de no conocer la eficiencia de diseño se puede comparar el resultado con la eficiencia de manuales de un horno del mismo modelo o similar al estudiado.

Después de haber comparado la eficiencia del horno con la reportada por la literatura o manuales, si esta eficiencia calculada es menor a la reportada el horno estará en malas condiciones.

Lo que sigue a continuación es identificar las principales pérdidas de energía y cuantificarlas para después enlistarlas de mayor a menor e identificar aquellas que impactan más a la eficiencia del horno.

De lo anterior se deduce que la metodología debe de comprender dos partes, la primera es un análisis global del equipo y la segunda es un estudio más profundo de las distintas pérdidas del sistema para identificar las principales fugas de energía, considerando los principales parámetros que afectan la eficiencia y las variables a medir para realizar un estudio de alguna modificación para mejorar la eficiencia.

Y

66

5.4. ALGORITMO PARA EL CALCULO DE LA EFICIENCIA DE UN HORNO.

Para calcular su eficiencia se requiere recopilar la siguiente información:

5.4.1. VARIABLES A MEDIR. TEMPERATURA!3.

T, = O C (temperatura final de la carga al salir del horno) . Ti = O C (temperatura inicial de la carga).

TE = OC (temperatura de la pared exterior del horno).

T, = OC (temp. de la pared interior del horno).

T, = OC (temperatura de la pared para las pérdidas por convección) . T, = OC (temperatura del fluido para las pérdidas por convección) . Tc = O K (temperatura absoluta del cuerpo caliente).

T, = OK (temperatura absoluta del cuerpo frío).

T, = OC (temp. de los gases a la salida del horno).

To = OC (temp. a la que se pueden llevar los gases).

Tca = oc (temperatura a la que se quiere llevar la Earga).

Ti = O C (temperatura de la carga a la entrada del horno),

FLUJO MASICO.

m = kg/s (flujo másico de la carga).

J, = m3/s (flujo másico de los gases de escape) . J, = m 3 / s (flujo másico del combustible).

Ja = m3/s (del aire de combustión).

J, = m3/s (de las materias primas).

5.4.2. CONSTANTES REQUERIDAS.

Cpa = kj/m3 OC (CP del aire de entrada) . Cp carga

- kj/m3 OC (CP de la carga) . -

Cpc = kj/m3 OC (CP del combustible) . K = KW/m o c (conductividad térmica de la pared analizada).

d = kg/m3 (densidad del fluido sobre el &rea analizada para la pérdida por convección).

c = m/S (velocidad del fluido sobre el área estudiada para la pérdida por convección).

e = S (tiempo en que se lleva el proceso sobre la carga) .

A,¡ m* (área de la superficie analizada) .

SI LA FUENTE DE ENERGÍA LA SUMINISTRA UN COMBUSTIBLE DAR:

PC1 = kj/m3 (poder calorífico inferior del combustible utilizado). 3

PERDIDAS. -

= KW (por conducción).

PC, = Kw (por convección) . P, = KW (por radiación).

P, = KW (por los gases de combustión).

PC = KW (por salida de la carga).

ENTRADA DE ENERGÍA.

PARA HORNOS TÉRMICOS.

Qcs = KW (calor sensible del combustible).

Q, = KW (calor sensible del aire) . Qm KW (calor sensible en las materias primas).

Qcc = KW (por calor de combustión).

R , = Kw (reacciones exotérmicas de la carga).

Qt = Q c s + Qa + Qm + Qcc + R, = m.

SI SE TRATA DE UN HORNO ELÉCTRICO DAR:

I = A (intensidad de la corriente en amperes).

R = n (resistividad de la resistencia en ohms;.

PARA HORNOS ELÉCTRICOS.

CALCULO DE LA EFICIENCIA DE UN HORNO.

Qt = KW.

P, = PC, + PC, + P, + P, + PC = Kw.

La eficiencia será:

q=(1 - - ) *loo= pt Qt

%.

69

5.5. EJEMPLO.

Como un ejemplo se tiene un horno para calentar tubos de acero, quemando aceite combustible NQ 5 .

Para calcular su eficiencia se pudo recopilar la siguiente información:

VARIABLES A MEDIR.

TEMPERATURAS.

Tf = 1371.11 OC (temperatura final de la carga al salir del horno).

Ti = 37.78 OC (temperatura inicial de la carga).

TE = OC (temperatura de la pared exterior del horno).

TI = OC (temp. de la pared interior del horno).

T, = OC (temperatura de la pared para las pérdidas por convección) . T, = OC (temperatura del fluido para las pérdidas por convección) . T, = OK (temperatura absoluta del cuerpo caliente).

T, = OK (temperatura absoluta del cuerpo frío).

T, = 1204.4 OC (temp. de los gases a la salida del horno) . To = 170 OC (temp. a la que se pueden llevar los gases).

T,, = 1093.33 O C (temperatura a la que se quiere llevar la carga). Y

Ti = 37.78 OC (temperatura de la carga a la entrada del horno). -

FLUJO MASICO.

m = 13.89 kg/s (flujo másico de la carga).

J, = 32.97 m3/s (flujo másico de los gases de escape).

J, = 3.073 X 10” m 3 / s (flujo másico del combustible).

J, = 31.224 m3/s (del aire de combustión).

J, = O m3/s (de l a s materias primas).

CONSTANTES REQUERIDAS.

Cpa = 1.4 kj/m3 OC (CP del aire de entrada) . CP carga = 0.75495 kj/m3 OC (CP de la carga).

c p c = kj/m3 OC (CP del combustible) . C, = 1.5375 kj/m3.

K = KW/m OC (conductividad térmica de la pared analizada).

d = kg/m3 (densidad del fluido sobre el área analizada para la pérdida por convección).

c = m/s (velocidad del fluido sobre el área

e = S (tiempo en que se lleva el proceso sobre la

estudiada para la pérdida por convección).

carga) .

A,i = m2 (área de la superficie analizada) .

PC1 = 39659010 kj/m3 (poder calorífico inferior del combustible utilizado).

PERDIDAS.

= KW (por conducción) . PC" = KW (por convección) . P, = KW (por radiación).

P, = 16332.17 KW (por l o s gases de combustión).

PC = 10993.546 KW (por salida de la carga).

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ENTRADA DE ENERGÍA.

PARA HORNOS TÉRMICOS.

Q,, = KW (calor sensible del combustible).

Q, = 558.66 KW (calor sensible del aire).

Q, = O KW (calor sensible en las materias primas).

Q,, = 121875.14 KW (por calor de combustión).

R, = O KW (reacciones exotérmicas de la carga).

Qt =Qcs + Q, + Q, + Q,, + R, = 12172.14 KW.

CALCULO DE LA EFICIENCIA DE UN HORNO.

pt = p,, + PC, + P, + P, + PC = 27325

La eficiencia será:

P q= ( 1 - 2 ) *loo=

Q t 77,57 %.

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6. CONCLUSIONES.

Mediante la utilización del algoritmo descrito se pueden obtener estimaciones de la eficiencia de un generador de vapor bastante precisas, los resultados serán lo suficientemente buenos dependiendo de la exactitud con que se obtengan las variables a medir así como la cantidad de ellas que sea posible obtener.

Al respecto de variables que no se puedan evaluar, como por ejemplo las temperaturas para calcular pérdidas por la pared es posible obtener estas pérdidas con tablas o gráficas y completar la información para evaluar la eficiencia.

Una buena estimación de la eficiencia de un equipo de combustión será aquella que se obtenga al medir y obtener el mayor numero de datos requeridos para el cálculo.

Para saber si la eficiencia obtenida es la más apropiada para el equipo estudiado se debe de recurrir a los manuales del fabricante, manuales de un equipo similar, a la literatura, etc.

Una vez comparada la eficiencia se procede a verificar si es la apropiada, si no lo es, lo siguiente es averiguar en que forma se puede mejorar.

La utilización de los algoritmos descritos es una herramienta que se tiene disponible para facilitar la obtención de las eficiencias de hornos y generadores de vapor.

t

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7. BIBLIOGRAFÍA.

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