UNIVERSIDAD NACIONALPEDRO RUIZ GALLOFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICACURSO

MAQUINAS TERMICAS II

CATEDRATICO

ING. CARLOS NECIOSUP INCIO

TEMA

METODOLOGIA TERMICA PARA CALDERA DE BAGAZO

DATOS PERSONALES

ELMER CALLE CHOJEDA

100107-B2014-I

FECHA

22/10/14

Tabla de contenido1.INTRODUCCION.-22.EL BAGAZO.-22.1.COMPOSICIN FSICA DEL BAGAZO22.2.COMPOSICIN QUMICA33.BALANCE TERMICO DE UNA CALDERA BAGACERA34.BALANCE CON PARAMETROS DE TRABAJO64.1.Clculo de rendimiento actual de la caldera por el mtodo indirecto74.1.1.Composicin de gases en chimenea74.1.2.Determinacin del coeficiente de exceso de aire en chimenea84.1.3.Clculo de la relacin aire combustible84.1.4.Clculo de la relacin gas combustible94.1.5.Clculo de poder calorfico inferior del bagazo94.1.6.Clculo de la prdida de calor sensible104.1.7.Clculo de calor transmitido al vapor por kilogramo de bagazo104.1.8.Clculo de consumo de bagazo114.1.9.Clculo de flujo msico de aire que ingresa al hogar124.1.10.Clculo de flujo msico de gases de combustin en fase inicial124.1.11.Clculo de temperatura de gases de combustin en fase inicial124.1.12.Clculo del consumo especfico de vapor134.1.13.Clculo de calor total producido en la combustin144.1.14.Rendimiento de caldera por el mtodo indirecto144.1.15.Clculo de temperatura de gases a la salida de cada intercambiador144.2.Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador secundario164.3.Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador primario164.4.Temperatura de gas a la salida de economizador164.5.Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N1164.6.Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N2164.7.Clculo de coeficiente global de transferencia de calor en cada intercambiador174.8.Coeficiente global de transferencia en vaporizador184.9.Coeficiente global de transferencia en sobrecalentador secundario184.10.Coeficiente global de transferencia en sobrecalentador primario184.11.Coeficiente global de transferencia en economizador194.12.Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N1194.13.Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N219

1. INTRODUCCION.-La interpretacin de este balance permitir identificar las actualidades y/o proyectos de conservacin de energa que deban llevarse a cabo.Para que el balance trmico sea vlido todos los datos registrados deben tomarse cuando el equipo o instalacin se encuentre operando en condiciones de estado estable, vale decir, sin variaciones en su funcionamiento.Para ello tomamos los datos de nuestra caldera cuando est trabajando en forma estable.2. EL BAGAZO.-El Bagazo final, o simplemente el bagazo, es el material slido, fibroso, que sale de la abertura trasera del ltimo de los molinos de la batera, despus de la extraccin del jugo. Es el residuo de la molienda de la caa. Los elementos combustibles del bagazo son el carbono y hidrogeno. Para obtener una combustin completa, sin dejar material no quemado y para que todo el carbono se convierta en CO2 es necesario proporcionar cierto exceso de aire.2.1. COMPOSICIN FSICA DEL BAGAZO A pesar de la de la diversidad de las plantas de molienda y de las maquinas empleadas para ella, la composicin qumica del bagazo vara entre limites bastantes estrechos. Su propiedad ms importante, desde el punto de vista de la produccin de vapor, es su humedad. Cuando el trabajo de los molinos es deficiente, el contenido de humedad del bagazo ser de aproximadamente del 50%, mientras que con un buen trabajo su contenido ser del 45%. Adems del agua, el bagazo contiene:

Material insoluble, principalmente celulosa, y que constituye la fibra del bagazo, sustancias en solucin en el agua (evidentemente agua del jugo) consistentes en azcar e impurezas. Estas sustancias en solucin se presentan en pequeas cantidades que van del 2 al 5%. 2.2. COMPOSICIN QUMICA La composicin qumica del bagazo seco, vara ligeramente, de acuerdo con diferentes autores:

Hugot:Carbono: 47%Hidrogeno: 6.5%Oxgeno: 44%Cenizas: 2.5%

N. Deerr:Carbono: 46.5%Hidrogeno: 6.5%Oxgeno: 46%Cenizas: 1%

3. BALANCE TERMICO DE UNA CALDERA BAGACERASe refiere a los clculos necesarios para cuantificar la distribucin de energa. En este caso la energa que se libera por la combustin se divide en: - La entregada al vapor de descarga - Las prdidas por la chimenea - Otras prdidas indirectas Las prdidas por la chimenea a su vez las podemos dividir en: - Calor perdido por el aire seco - Calor perdido por la humedad ambiente - Calor perdido por la humedad del combustible - Calor perdido por combustin incompleta.

3. Ecuaciones del Balance Trmico a) Calor til entregado al vapor de descarga de la caldera (qv)

donde: mv = caudal en masa o flujo msico de vapor generado (kg vapor agua/s) mc = caudal en masa o flujo msico de combustible consumido (kg comb./s) hs = entalpa del vapor generado (kcal/kg agua) he = entalpa del agua de alimentacin (kcal/kg agua) b) Calor perdido al ambiente por el aire seco de la chimenea (qg)

donde: Ras/c = relacin de aire seco a combustible seco (kg aire seco/kg comb.). Cpas = calor especfico del aire seco (kJ/kg K) [1,0035 kJ/kg K 0,24 kcal/kg K]Ts = temperatura de bulbo seco de gases de descarga de la chimenea (C). Te = temperatura de bulbo seco del aire de entrada al hogar (C).Adems, Ra/c = Ras/c + HE (Ras/c)

Ras/c =

donde: Ra/c = relacin de aire hmedo a combustible seco (kg aire hmedo/kg comb.) HE = Humedad especfica del aire ambiente (kg vapor agua/ kg aire seco)c) Calor perdido por la humedad del aire de entrada al hogar (qha)

donde: hvs = Entalpa del vapor de agua a Ts y a la presin parcial correspondiente, [T.V.R T.V.S.] (kcal/kg agua) hve = Entalpa del vapor de agua a Te y a la presin parcial correspondiente [T.V.S.] (kcal/kg agua) d) Calor perdido por la humedad contenida en el combustible (qhc)

donde: Hc = Humedad del combustible (kg agua/kg comb.) hvs = Entalpa del vapor de agua a Ts y a la presin parcial correspondiente, [T.V.R T.V.S.] (kcal/kg agua) hac = Entalpa del agua (lquido saturado) en el combustible a la temperatura de entrada al quemador (kcal/kg agua)

e) Calor perdido por combustin incompleta (qci) qci = CC x RVCO x Kdonde: CC = Contenido de carbono en el combustible (kg /kg) RVCO = Relacin de volumen del CO con respecto al (CO + CO2)

K= 23574 KJ/Kg = 5634,186 Kcal/Kg

NOTA: C + CO2 CO2 + 32 785 (kJ/kg) C + O CO + 9 211 (kJ/kg)

E = 23574 kJ/Kg (Energa no utilizada por la combustin incompleta).

f) Calor perdido al ambiente por conveccin y radiacin (qcr)

donde: Hi = Poder calorfico inferior (kcal/kg. comb.)

4. BALANCE CON PARAMETROS DE TRABAJO Es importante tener en cuenta que la combustin de las calderas bagaceras y las carboneras tienen una gran diferencia, la caldera N11 tiene como combustible el bagazo. Por esta razn, para los clculos se tom como referencia el mtodo del libro Manual para Ingenieros Azucareros de E. HUGOT. En la tabla N01 se muestra los parmetros de trabajo de la caldera tomados de la instrumentacin de la misma. TABLA N1 DATOS DE OPERACIN DE LA CALDERA N11

Flujo de vapor 55 TN/Hora

Presin de trabajo 31 bar

Temperatura del vapor 355C

Temperatura de aire caliente 107.5C

Temperatura del agua de Alimentacin 106C

Combustible Empleado Bagazo

Temperatura de bagazo 30C

Temperatura de gases en chimenea 206C

4.1. Clculo de rendimiento actual de la caldera por el mtodo indirecto 4.1.1. Composicin de gases en chimenea La composicin de los gases necesarios para realizar los clculos posteriores fue proporcionada por el Departamento de Generacin de Vapor de la empresa, los cuales se presentan en la tabla N01. El contenido de en los gases vara, como se puede observar en la tabla, de esta manera se asumir un valor promedio para la realizacin de los clculos.Tabla N 02 ANALISIS DE GASES EN CHIMENEA

Medicin O2 (%) CO2 (%)

1 12.2 8.3

2 8.1 12.2

3 7.5 12.9

Promedio9.3 11.1

4.1.2. Determinacin del coeficiente de exceso de aire en chimenea El coeficiente de exceso de aire se puede calcular mediante la siguiente frmula:

Donde: = Coeficiente de exceso de aire O2= Porcentaje de oxigeno [%] = 0.093

4.1.3. Clculo de la relacin aire combustible La humedad del bagazo tiene un valor de 50%. Este es un dato histrico de los ltimos seis meses, aunque cabe anotar que el dato de humedad del bagazo es un dato que se registra cada hora y depende prcticamente del estado de los molinos ya que si estos no tienen un buen ajuste no habr una buena extraccin, por lo tanto el bagazo que va a las calderas tendr un alto porcentaje de humedad. El valor promedio de humedad se asumir 50%.

4.1.4. Clculo de la relacin gas combustible

De esta manera se determina el peso de los productos gaseosos de la combustin por kilogramo de bagazo.4.1.5. Clculo de poder calorfico inferior del bagazo Esta ecuacin considera las siguientes prdidas de calor: Calor latente de vaporizacin del agua formada por la combustin del hidrgeno contenido en el bagazo, que se pierde en los gases con el vapor de esta agua, si no se condensa. Calor latente de vaporizacin del agua contenida en el bagazo, que de la misma manera se pierde en los gases de chimenea.

4.1.6. Clculo de la prdida de calor sensible La prdida ms importante, que debe restarse, es la que corresponde al calor sensible arrastrado por estos gases. En una buena instalacin, pueden obtenerse temperaturas de los gases de escape de entre 180 195C. Para el caso de esta caldera marca 206C.

4.1.7. Clculo de calor transmitido al vapor por kilogramo de bagazo Puede calcularse ahora la cantidad de vapor que puede obtenerse de la unidad de peso del bagazo. Las prdidas de calor en el horno y en la caldera consisten en las siguientes: a. Calor latente del agua que se forma por combustin del hidrogeno del bagazo. b. Calor latente del agua contenida en el bagazo. c. Calor sensible de los gases que dejan la caldera. d. Prdidas en solidos no quemados. e. Prdidas por radiacin del horno y especialmente de la caldera. f. Prdidas debidas a la mala combustin del carbono

Donde: Q= Calor transmitido al vapor [KJ Kg] w= Humedad del bagazo [%] = 50% q= Prdida de calor sensible en los gases = 1462.14 kJ kg= Coeficiente que incluye las prdidas en los slidos no quemados = 0.95 = Coeficiente que incluye las prdidas debidas a la radiacin = 0.98 = Coeficiente que incluye las prdidas debidas a la combustin incompleta = 0.85 Los coeficientes de prdidas en el caso de es del orden de 0.99. Muy pocas veces desciende de este valor, a menos que se emplee un tiro muy fuerte que arrastre a la chimenea pedazos relativamente grandes de bagazo, lo cual no ocurre en esta caldera. Para vara entre 0.95 a 0.99, de acuerdo con el aislamiento ms o menos eficiente de la caldera. Si la caldera est bien aislada puede tomarse 0.99. Para esta caldera asumiremos 0.98. En cuanto a puede variar de 0.8 a 0.9. Este coeficiente ser mejor de acuerdo con: La humedad del bagazo y el poco exceso de aire. Asumiremos 0.85.

4.1.8. Clculo de consumo de bagazo Para la determinacin del flujo msico de bagazo fue necesario tomar algunos datos de operacin, y a partir de estos poder encontrar la variable mencionada. Los datos necesarios para la realizacin de este clculo se citan en la tabla N02.

Donde: mcb = Flujo msico de combustible [kg seg] mvs = Flujo msico de vapor = 55 [tnh]= 15.3 [kg seg]hvs= Entalpia de vapor sobrecalentado [kJ kg]ha= Entalpia de agua de alimentacin [kJ kg]Q= Calor transmitido al vapor = 5091.23 [kJ kg]De tabla termodinmica tenemos: hvs= 3127.1[kJ kg], ha= 447[kJ kg]

4.1.9. Clculo de flujo msico de aire que ingresa al hogar

4.1.10. Clculo de flujo msico de gases de combustin en fase inicial

4.1.11. Clculo de temperatura de gases de combustin en fase inicial

Donde: tgc= Temperatura de gases de combustin en fase inicial [C] PCI= Poder calorfico inferior = 7867.8 KJ kgCpcb= Calor especfico del bagazo [KJ kgC ] tcb= Temperatura del bagazo = 30C Ra-cb= Relacin aire - combustible = 5.16 Cpar= Calor especfico del aire caliente [KJ kgC ]tar= Temperatura del aire caliente = 107.5C Cpgc= Calor especfico de gases de combustin [KJ kgC ]Rgc-cb= Relacin gases de combustin - combustible = 6.16De tablas: Cpcb= 1.3400 [KJ kgC ]Cpar= 1.0120 [KJ kgC ]Cpgc= 1.3134 [KJ kgC ]Las temperaturas se obtuvieron de medidores, citadas en la tabla N02. Finalmente reemplazamos:

4.1.12. Clculo del consumo especfico de vapor

4.1.13. Clculo de calor total producido en la combustin

4.1.14. Rendimiento de caldera por el mtodo indirecto

4.1.15. Clculo de temperatura de gases a la salida de cada intercambiador Para el clculo de las temperaturas se consider asumir una eficiencia en el intercambiador de calor, de tal manera que los parmetros calculados coincidan con los datos medidos por la instrumentacin de la caldera, las cuales se presentan en la figura N01. A continuacin se presenta la frmula general que emplearemos en todos los intercambiadores. Los calores especficos del aire y delos gases se obtuvieron de las tablas N03 y N04 que estn en anexos.

Adems se calcular el calor til necesario para cada intercambiador de calor, esto determinar qu porcentaje del calor total se utiliz en cada intercambiador; as como tambin servir para desarrollar nuestro diagrama de sankey.

3.1.2.1. Temperatura de gas a la salida de vaporizador

4.2. Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador secundario

4.3. Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador primario

4.4. Temperatura de gas a la salida de economizador

4.5. Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N1 Los precalentadores se encuentran en paralelo, por lo que los gases de combustin se divide entre 2 para realizar el clculo tanto para el precalentador NA1 como para el precalentador NA2.

4.6. Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N2

El paso a seguir es calcular los coeficientes globales de transferencia de calor, utilizando el calor til determinado en cada intercambiador y las superficies de transferencia de estas citadas en la tabla N03.4.7. Clculo de coeficiente global de transferencia de calor en cada intercambiador Para este anlisis se consider tomar las superficies de intercambio de calor existentes, esto nos permitir comparar con los parmetros de rango normal de una caldera; para posteriormente podamos calcular la nueva superficie de calor necesaria, que nos ayudar a llegar a los parmetros establecidos

Para la realizacin de clculos realizados en los intercambiadores de la caldera se tom las condiciones de operacin promedio, las cuales se citan en la figura N01. La frmula para el clculo de la media logartmica de las diferencias de temperatura es:

4.8. Coeficiente global de transferencia en vaporizador

4.9. Coeficiente global de transferencia en sobrecalentador secundario

4.10. Coeficiente global de transferencia en sobrecalentador primario

4.11. Coeficiente global de transferencia en economizador

4.12. Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N1

4.13. Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N2