INFORME DE LABORATORIO - EFICIENCIA DE CALDERA MÉTODOS DIRECTO E INDIRECTO

PLANTAS TÉRMICAS

1. INTRODUCCIÓN

Este informe está elaborado con la intención de analizar la eficiencia de la caldera del laboratorio de máquinas térmicas por los métodos directo e indirecto, para ello se realizaron diversas mediciones propias de las necesidades de cálculo de ambos métodos, además que se pretende conocer condiciones adicionales de funcionamiento que propicien un aumento en la eficiencia de la máquina.

2. EQUIPOS Y PROCEDIMIENTO

Caldera: La caldera del laboratorio es una caldera pirotubular de 2 pasos. En este tipo de calderas, la llama se forma en el hogar pasando gases de la combustión por el interior de los tubos de los pasos siguientes para ser conducidos a la chimenea; el hogar y los tubos están completamente rodeados de agua. Las características importantes de la caldera son:Presión trabajo: 150 psiPotencia: 40 BHPMáxima Presión de trabajo: 142 psiProducción de vapor saturado a 212 F Consta de varios subsistemas: sistema de agua, de combustibles y gases, de control, instrumentación.

Sistema de agua: Formado por el tanque de agua, válvula de entrada, bomba de agua, y los indicadores de nivel.

Sistema de combustible y gases: Formado por el tanque de alimentación, el cual provee de ACPM la caldera, el dumper a la entrada de la caldera, el generador de chispa para la combustión, la mirilla de indicador de llama, los quemadores, la chimenea, y electroválvulas que regulan la entrada de combustible.

Sistema de control y instrumentación: La caldera tiene varios dispositivos de control. En el tablero principal encontramos el encendido y apagado de la caldera, y algunas señales de los sistemas anteriores. La caldera está diseñada con un sistema on/off el cual al llegar a la temperatura de trabajo de 110 psi, apaga el sistema. Como instrumentación visible en la caldera tenemos los indicadores de nivel, de temperatura del vapor, del agua, la presión en la caldera.Además de los anteriormente mencionados, la caldera cuenta con sistema de seguridad (válvulas de alivio), y otros sistemas que garantizan que no ocurran accidentes.

En la práctica, se tomaron datos del consumo de combustible por ciclos de la caldera de encendido y apagado. El tanque tiene un diámetro de 19,6 cm, con lo cual podemos hallar el volumen y el flujo másico.

También se tiene en cuenta las características del combustible.

En los barridos inicial y final se tomaron las temperaturas de los gases cada 3 segundos por 7 oportunidades, en el barrido intermedio se observó la temperatura de los gases una vez que se encendía el quemador en ciclos de 10 segundos, se midió también el cambio de nivel en el aforo del tanque de condensado. 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS

El siguiente esquema muestra los componentes generales de la caldera:

A continuación el balance de energía de la misma:

Ec+ Ea+ ˙Eaux+ ˙Eagua=Eg+ Ev+ Er+ Ep+ Ei

Eficiencia método directo

La eficiencia por método directo se define como:

η=EnergiaaprovechadaEnergia entregada

Para el caso de la caldera asumiendo que el trabajo de la bomba es despreciable, debido a que el tiempo de funcionamiento se realiza en etapas cortas.

η=˙magua×Δh

HHV ×mcombustible

Para calcular el ˙mcombustible se utilizan los datos promedio del consumo de combustible para un ciclo de encendido de la caldera. Para el cálculo se tiene en cuenta que la geometría del tanque es circular y que tiene un diámetro de 19.6 cm:

mcombustible=V m

60× Δt f×ρ f

El combustible utilizado tiene las siguientes características:

DATOS DE COMBUSTIBLE

%C 84,71%H 13,96%O2 1,3%S 0,033Humedad 0HHV (kJ/kg) 42604,2Gravedad API 34,5

G= 141,5API+131,5

=0,852

ρ f=ρ v@25 °C×G=849,85kg/m3

De los datos tomados, Δt f=26,86min;

V m=Dl100×π×

d2

4=15,9100×π×

0,1962

4=0,004797

mcombustible=0,00479760×26,86

×849,85=0,002426 kgs

Utilizamos datos del combustible para determinar la energía entregada por él. El poder calorífico del combustible de la caldera es:

HHV=42604,2 kJkg

Para el cálculo del flujo másico del vapor se tiene en cuenta la cantidad de condensado durante la práctica en la estación de generación, con vapor saturado. Los datos se leen en la grafica de aforo del tanque de condensado.

∆V=51 ρ f=ρ v@75 °C=975 mv= ρf ×∆V ×60Δt f ×100

=0,02959 kgs

Para las condiciones de trabajo de la caldera en la toma de datos se tiene:

T e=22℃T s=165℃

Por tanto hallamos las entalpias requeridas:

heagua=92,32kjkghs vapor=2763,25

kjkg

Se procede entonces a calcular la eficiencia por el método directo:

η=mv× ¿¿

η=76,4%

Ecuación de combustión

Recopilando los resultados del analizador de gases se tuvo lo siguiente:

Gas (%vol) PROMEDIO

CO2 12,73CO 0,0046O2 3,77N2 83,48

NOx 0,0105SOx 0,00

La ecuación resultante despreciando el CO es:

( c12 )C+( h1 )H+A [( 0 .23332 )O2+( 0.76728 )N2 ]⇒B [dCO2+ fO2+(1−d−f ) N2 ]+kH 2O

En la ecuación anterior:

A :relacion airecombustible=kgde aire

kgdecombustible

B:molesde producto gaseoso /k gdecombustible

C : porcentaje de carbonodel combustible en peso

h : porcentaje dehidrogeno del combustibleen pes o

d : porcentaje volumenCO2

f : porcentaje volumenO 2

Al realizar un balance de masa obtenemos:

Carbono

( C12 )=B×d Reemplazando ( 0,847112 )=B×0,1273→B=3,3271Hidrogeno

H=2×k 0,13962

=k→k=0,0698

Oxigeno

0.233 A32.2

=B (d+ f )+ k2

0.233 A32.2

=3,3271× (0,1273+0,0377 )+0,06982→A=80,69

Se tiene entonces:

%Vol deCO2=(B∗d )B+k

∗100=3,3271∗0,12533,3271+0,0698

∗100=12,27%

%Vol de N 2=(B∗(1−d−f ))

B+k∗100= 3,3271∗0,835

3,3271+0,0698∗100=81,78%

%Vol deO 2=(B∗f )B+k

∗100=3,3271∗0,03773,3271+0,0698

∗100=3,69%

%Vol de H 2O= kB+k

∗100= 0,06983,3271+0,0698

∗100=2,26%

Fracción másica:

MP=XCO2×MCO2+X H 2O

×MH 2O+X N2×M N2

+XO2×MO2

MP=0,1227×44+0,0226×14+0.8178×28+0,0369×32→M P=29,79

Y CO2=XCO2×MCO2

M P

=0,1861Y H 2O=XH 2O

×MH 2O

M P

=0,01

Y N2=XN 2×MN 2

MP

=0,768Y O2=X O2×MO2

MP

=0,0396

CP=Y CO2×CP, CO2+Y H 2O×CP,H 2O

+Y N 2×CP,N2+Y O2×CP ,O2

Los calores específicos de cada fracción se determinan a partir del gráfico 1 suministrado en las guías del laboratorio.

CP=0,1861×0,35+0,01×0,37+0,768×0,28+0,0396×0,29→C P=0,319BTUlb℉

CP=1,3355kJkg℃

Eficiencia método indirecto

Pérdida por gases secos :DGL=W dg×CP×(T g−T a)

Con:

W dg=C f ×44CO2+32O2+28N2

12CO2; ElCO se asumecomo0.

C f=C−(W r−A ) ; A=ceniza s ,W r=carbón residual=0,115 lb

lb carbónquemado

C f=0,8471−0,115=0,7321

W dg=0,7321×44×12,73+32×3,77+28×83,48

12×12,73=14,464

T g=Temperatura de los gases deescape=190℃=374℉

T a=Temperaturadel aire decombustión a laentradade caldera=22,2℃=72℉

Se tiene entonces que:

DGL=14,464×0,319× (374−72 )=1393,43 BTUlb comb.

Pérdida por humedad ML=(W+9H ) (hs−hw )

Con:

W=Fracciónde humedad enel comb .=0

H=fracciónde Hidrógenoenel comb .=0,1396

hs−hw=∆h=1089+0,46×T g , siendoqueT g esmenor a575℉ .

ML=(9×0,1896 )× (1261 )=1584,37 BTUlb comb .

Las pérdidas por radiación se consideran entre 3% y 5% del HHV, para este caso se asumirá un 4% del mismo:

RUL=0,04×HHV=0,04×42604,2=1704,16 kJkg

=732,61 BTUlb comb.

La eficiencia por método indirecto es entonces:

η=HHV−∑ Pérdidadeenergía

HHV×100%

η=79,74%

Si la temperatura de gases se reduce en 10°C, se tendrían las siguientes pérdidas:

Con T g=180℃=356℉→DGL=14,464×0,319× (356−72 )=1310,38 BTUlb comb.

Las otras pérdidas se mantendrían invariantes, entonces la eficiencia equivaldría a:

η180℃=80,2%

El método directo se determina con base en la energía que entra (calor suministrado y la que sale de la caldera (calor absorbido por el vapor), este método requiere la medición de:

Flujo de vapor producido Consumo de combustible Temperaturas y presiones de agua de alimentación y del vapor Determinación del HHV del combustible

Por otra parte, el método indirecto es el más seguro y más ampliamente utilizado, pues permite hacer la determinación de cada una de las pérdidas que intervienen en el balance térmico y evaluarlas para tomar correctivos, estas pérdidas por lo general vienen asociadas a los siguientes eventos:

Debidas a gases de combustión secos. Por humedad del combustible y la propia del aire de combustión. Por combustión de hidrógeno. Por formación de monóxido de carbono debido a la combustión incompleta. Por radiación de calor. Estimación de pérdidas no medidas.

Las siguientes mediciones se hacen necesarias:

Temperatura y análisis de los gases en la chimenea. Temperatura y presión del aire ambiente. Cantidad de inquemados y residuos de combustión. Análisis último del combustible. Poder calorífico del combustible. Tiro (presión relativa) entre caldera y salida de chimenea. No se requiere medir el consumo de combustible

Algunas alternativas que se pueden considerar para aumentar la eficiencia de la caldera son:

Reducción del exceso de aire, pues este sobrecarga y exige sobre dimensionamiento de los equipos, generando una cantidad adicional de gases que escapan a alta temperatura de la atmosfera.

Disminuir la temperatura de los gases de escape, si hay exceso de combustible, disminuir la tasa de suministro con el fin de bajar la temperatura de los gases, si la tubería está sucia, la generación de vapor se verá afectada y la única solución es el soplado de la unidad.

Reducir la presión en la caldera lentamente hasta un punto donde la cantidad de vapor producida es suficiente para los requerimientos de planta, con ello se puede conseguir una más baja temperatura de gases debido a una mejor transferencia de calor, además de disminuir las pérdidas de calor de la caldera y tuberías.

Reducir la purga de la caldera, cuando esta es excesiva, el nivel de sólidos en la caldera baja por debajo del valor admisible, dando como resultado pérdidas adicionales de calor, cuando la purga es menor que la necesaria, aumenta el nivel de incrustaciones en la caldera, aislando térmicamente las superficies de transferencia de calor.

4. CONCLUSIONES

La eficiencia de la caldera obtenida por método directo e indirecto, son diferentes en magnitud. Consecuencia de ello, en el caso de método directo, el consumo de combustible puede ser medido de forma directa para cada ciclo de quemado de combustible, según los requerimientos de carga, mientras que el flujo másico de vapor el medible, teniendo en cuenta la cantidad de condensado durante la práctica. Se sabe

además que la magnitud del flujo másico de vapor cambia según condiciones de carga, por ello no es método tan confiable y no es tan utilizado en la industria nacional con tanta frecuencia.

La cantidad de exceso de aire es un aspecto importante en cuento a la eficiencia de la combustión y por ende en cuanto a la cantidad de calor que es estregado al agua que va a ser evaporada en la caldera. Si la cantidad de exceso de aire es muy alta, la mezcla aire – combustible es pobre y aunque aumenta la eficiencia de la combustión, también es necesario un consumo mayor de combustible para calentar el exceso de aire no usado en la combustión. Al mismo tiempo un mezcla pobre es la culpable de que se formen compuestos tales como: SOx y NOx, los cuales, son perjudiciales para el medio ambiente, favoreciendo la generación de lluvia ácida. Por otra parte si la mezcla es pobre (deficiencia de aire), se tiene una combustión incompleta; con lo cual, se encontrarán en los productos de la combustión la presencia de hidrocarburos no quemados y no utilizados; por tanto, la eficiencia disminuye. En la práctica lo recomendado es que el exceso de aire sea del orden del 12%.

La conveniencia del método indirecto reside principalmente en poder determinar las pérdidas discriminando sus orígenes en varios tipos, lo que conlleva la posibilidad de poder evidenciar y posteriormente dar solución a los problemas de una manera más precisa.

5. REFERENCIAS

[1] SKROTZKI ,B G and Vopat, W. Power Station Engineering and Economy.Mc Graw Hill, 2 ed, New York, 1960.

[2] CASTRO MORA. Javier. “Operación y mantenimiento de calderas” Primera edición. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. 2002. Bogotá