Prueba termotécnica del funcionamiento del caldero Zepita Pacheco Beymar Mirco

PRUEBA TERMOTÉCNICA DEL FUNCIONAMIENTO DEL CALDERO1. INTRODUCCIÓN1.1 ANTECEDENTESLos calderos o centrales de vapor son los sistemas térmicos encargados de producir agua caliente y/o vapor de agua; la producción de vapor y/o agua caliente son procesos de la más diversa aplicación industrial.

1.2 OBJETIVOS Medición experimental de los parámetros termotécnicos básicos de producción de vapor del

caldero

El uso de los datos de medición termotécnica del caldero para el balance energético de la producción de vapor y como vector de confrontación con los recursos analíticos de cálculo térmico de calderos.

1.3 FUNDAMENTO TEÓRICOA través de esta prueba termotécnica se ha podido establecer de forma práctica valores de los parámetros de funcionamiento y de prestaciones más característicos de las centrales de vapor que están definidos de forma detallada en la parte teórica de la materia:

Capacidad de producción de vapor.

kWhrkJhhDQ f ,·

(1)

Donde:

Q, Capacidad de producción de vapor de la caldera.

D, es el peso del vapor producido por la caldera en kilogramos por hora.

h, es la entalpía de un kg de vapor y temperatura observadas en kJ/kg.

fh , la entalpía de un kg de agua de alimentación.

Potencia del caldero:

fhhDN · (2)

Rendimiento del caldero:

100·

··

infQBhhD f

(3)

Cantidad de aire usado en el procesoSe toma en cuenta un análisis de los productos de combustión y el aire usado será la cantidad de aire real usada para la combustión del GLP.

Cantidad de productos de combustión producidosSe toma en cuenta una combustión perfecta del combustible y los productos serán analizados teóricamente.

Balance térmico del caldero Se aplicará un procedimiento de análisis en el que se toma en cuenta 8 ítems de cálculo.

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Superficie de calefacción En la superficie de un generador de vapor donde una parte esta en contacto con la llama y los gases de combustión y la otra con el agua que se mide en unidades de longitud al cuadrado.

Producción especifica, es el vapor que se produce que se produce por cada metro cuadrado de superficie de calefacción y por cada hora:

2·mhrkg

SDDS

(4)

Índice de vaporización efectivaSe define como la el peso de vapor producido por cada kg o m³ de combustible quemado:

combcombe m

kgkgkg

BDi 3,

(5)

Capacidad específicaSe define como la relación entre volumen del agua expresado en litros que contiene el generador y la superficie de calefacción.

2mlt

SVCS

(6)

1.3.1 BREVE RESEÑA HISTÓRICALas calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.´

Figura 1.1. Máquina de vapor mejorada por James Watt

Fuente; Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005

Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por Kw. de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

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Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humo tubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. 

1.3.2 TIPOS DE CALDERAS ACUOTUBULARESEstas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilíndrico, en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el vapor que se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador. La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura. Desde su construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el año 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le incorporó sopladores y quemadores para combustibles líquidos. En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc. A lo largo de los últimos 50 años, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua-vapor y del acondicionamiento del agua de alimentación. Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.

Figura 1.2. Caldera acuotubular

La caldera de la derecha (Figura 1.3) tiene un hogar con dos entradas para ingreso del combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior, con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para una presión de unas 30 atm. y una temperatura de unos 400 ° C

Figura 1.3. Fig.1.2. Caldera humotubular con tubos sobrecalentadores

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En las calderas anteriores, la izquierda en cambio, es del tipo humotubular altamente reforzada, con tubos sobrecalentadores en los mismos conductos de humo, preparada para combustible líquido o gaseoso, y aplicaciones navales.

1.3.3. OTROS TIPOS DE CALDERAS ACUOTUBULARESLas calderas de vapor verticales acuotubulares, marca OLMAR, están formadas por un tubo de gran diámetro en su interior al que se acoplan una serie de colectores por los que circula el agua.

Este tipo de calderas permiten una muy fácil accesibilidad a su interior y están especialmente diseñadas para pequeñas industrias tales como tintorerías, lavanderías, lácteos, panaderías. Las calderas verticales OLMAR, se construyen con producciones que varían desde la obtención de 70 Kg/h hasta 1.200 Kg/h y a unas presiones comprendidas entre 2 y 14 Kg/cm2. Se utilizan distintos tipos de combustibles, pero no solo los líquidos, sino que las calderas verticales OLMAR, permiten la construcción de hogares especiales para combustibles sólidos, tales como orujillo, madera, e incluso en algunos casos se fabrican con hogares mixtos para combustibles sólidos-líquidos.

Figura 1.4. Esquema de calderas acuotubulares

Ventajas La caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del

diseño hasta 350 psi.

Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.

Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".

La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.

El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.

Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.

Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.

Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.

Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.

El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.

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1.3.4. CALDERAS HORIZONTALESLas calderas de vapor pirotubulares OLMAR, se fabrican con producciones comprendidas entre un mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y con presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2 hasta 24 Kg/cm2.

Figura 1.5. Calderas horizontales

Cada unidad pasa por estrictos controles durante el proceso de fabricación. Los resultados de estos controles, a los que se suman los que realizan nuestros proveedores en su propio material, conforman un Expediente de Control de Calidad. De esta forma se cumple lo indicado en el Código de Construcción, así como en todas las normas oficiales en vigor, tanto nacionales como de la Unión Europea. Los procesos de soldadura están homologados y los operarios cualificados, siendo las soldaduras radiografiadas según las exigencias del Código de Diseño empleado. A diferencia de otras calderas, cuya parte trasera solo es asequible por el interior del hogar, la caldera de vapor OLMAR dispone en la parte de atrás de una puerta abisagrada y de apertura total que deja al descubierto todo el interior. La facilidad de manipulación y la total accesibilidad, permiten al operario realizar las tareas de limpieza y mantenimiento desde el exterior y lo que es muy importante, incluso inmediatamente después de haber detenido el quemador.

Obsérvense otras dos características técnicas de suma importancia, la cámara tornafuego refrigerada por agua en su interior y la ondulación del tubo hogar. Como puede apreciarse el conjunto configura un sistema de tres pases de gases antes de la salida de estos por la chimenea, lo que permite la obtención de altos rendimientos térmicos que garantizan un 89 +/- 2%. Igual atención que el proceso de fabricación, nos merece el mantenimiento de las máquinas, para lo cual la empresa dispone de técnicos especialmente formados pudiendo así garantizar un servicio de asistencia rápido y profesional.

N3K La caldera tradicionalLa actual caldera N3K conforma la generación más avanzada de la familia de calderas SOGECAL. Todo en ella se ha estudiado con el fin de cumplir las normativas más exigentes en cuanto a contaminación ambiental (TA LUFT) y ahorro energético, manteniendo la misma robustez y fiabilidad que ha caracterizado siempre a estas calderas.

Actualmente es el diseño de generador más instalado en España, siendo además la base, con algunas modificaciones según la normativa vigente en cada país, de nuestras exportaciones a Europa, estando su diseño y fabricación aprobados e inspeccionados tanto por el TÜV alemán como por el DRIR francés.

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Figura 1.6. N3K La caldera tradicional

Sus características constructivas más importantes son:

Tubo hogar liso y ondulado según tamaño, de grandes dimensiones para optimizar la combustión y mantener bajos los niveles de contaminación.

Optima distribución y dimensión de tubos en los pasos de gases con el fin de obtener una perfecta circulación de agua en el interior de la caldera.

Mayor volumen de cámara de vapor para obtener vapor de alto título.

Cámara de reversión de gases trasera totalmente refrigerada por agua, requisito básico para una larga vida de funcionamiento y mínimos gastos de mantenimiento.

1.3.5 CALDERAS VERTICALES JETEl diseño vertical de la caldera JET, es concebido de tal manera que en poco espacio usted pueda obtener un máximo rendimiento y el equipo le sea rentable. Además es la más liviana de las calderas de su tipo.

La caldera JET, está concebida para que no cause problemas de operación al empresario. Su funcionamiento es totalmente automático sólo basta que se le oprima el swicht de arranque y ella hará todo cuanto se refiere a producción de vapor.

Figura 1.7. Caldera Vertical JET

Características principales Las  calderas poseen numerosas características físicas por dentro y por fuera.

El diseño vertical de la caldera JET es concebido de tal manera que en poco espacio usted pueda obtener un máximo rendimiento y el equipo le sea rentable.               

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Su casco de presión, fabricado con los aceros de la más alta calidad y de acuerdo con las especificaciones exigidas por las autoridades competentes del país.

El diseño del quemador, da una llama del tipo ciclónica, con el fin de obtener un calentamiento parejo y uniforme en la superficie de calefacción, para una producción de vapor mucho más rápida.

La versatilidad de la caldera JET, es única ya que ocupa menos espacio y es más liviana que las otras calderas de su tipo.

1.3.6 CALDERA GMT

Figura 1.8. Caldera GMT

Descripción Generador Horizontal o Vertical de vapor de GMT. Eficacia: 90%

La gama GMT empieza en los 120 kg/h de vapor hasta los 8000 kg/h, usted podrá encontrar la caldera más conveniente para su necesidad con una alta rentabilidad.

Los generadores GMT son calderas de vapor de circulación forzada basadas en el principio la Mont, según el cual el agua, forzada por una o varias bombas, circula a través de los tubos que forman la superficie calentada.

Esta superficie es dividida en tres secciones:

La Primera Sección realiza la función de economizador, que hace el precalentamiento del agua hasta alcanzar la temperatura de la evaporación.

La Segunda Sección es la zona de vaporización, donde el agua se transforma en vapor.

La Tercera Zona es el secador del vapor, que elimina las gotas de agua, que caen todavía la flotación.

La corriente inversa creada entre agua, vapor y los productos de la combustión, así como todos los movimientos turbulentos relacionados, permiten obtener una particular transferencia térmica, de gran eficiencia.

El tamaño del hogar se ha realizado a la medida de la mayoría de quemadores comerciales. Esto concede una eficacia extremadamente alta (como mínimo del 90%) sin contar precalentadores o economizadores, alargando la vida de la caldera incluso bajo las condiciones de trabajo más duras. El poder usar cualquier quemador de mercado asegura al cliente la capacidad de obtener una asistencia técnica a medida, eficaz e inmediata.

El Generador de Vapor GMT es una máquina diseñada para la industria moderna, capaz de producir vapor con las más altas prestaciones y con los gastos de explotación más baratos.

Todos nuestros generadores GMT se prueban antes de salir de fábrica.

Se sirven con quemador de dos pasos o de progresión automática, variando desde el 30% hasta el 100 % de la carga del quemador.

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1.3.7 CALDERA GPT

Figura 1.9. Caldera GPT

Descripción Caldera de vapor de alta tecnología con tres pasos de humos y mampara posterior húmeda.

Las calderas de vapor de tubos de humos serie GPT, con tres pasos, mampara posterior húmeda y con cartelas redondeadas, son tecnológicamente tan avanzadas que pueden ser consideradas las mejores del mercado.

La gama de modelos va desde las 2 hasta las 15 toneladas/hora y están realizadas con hogar tipo F0x. Han sido diseñadas para tener un elevado rendimiento y bajas emisiones de NOx.

Estas calderas pueden proveerse de quemadores de mercado con cualquier combustible y bajo cualquier tipo de modulación.

Realizada con la última tecnología en procesos de soldadura estas calderas de tres pasos de Humos, Hogar Húmedo y Fondos Redondeados son ideales para su uso en situaciones difíciles y en rangos de trabajos medio-alto, donde la fiabilidad es el factor más importante.

1.3.8 COGENERACIÓNUna sociedad industrializada consume grandes cantidades de energía, además de una sociedad del tipo mencionado se caracteriza por su creciente dependencia de la electricidad, tendencia que tiene efectos globales de consumo de energía y efectos indirectos en el medio ambiente. Como consecuencia de lo anterior, las múltiples decisiones que se debe tomar en relación con el diseño de un sistema total de conversión de energía se ven estrechamente ligadas al comportamiento de nuestra economía y calidad de vida en el medio ambiente.

CogeneraciónLa cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil ( vapor, agua caliente, aire caliente, por ejemplo).

La gran ventaja de la cogeneración es la eficiencia energética que se puede obtener. Por eficiencia energética entendemos la energía útil que obtenemos sobre la energía entregada por el combustible utilizado.

Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la energía en el combustible es del 25% al 35%, lo demás se pierde. Al cogenerar se puede llegar a aprovechar el 70% al 85% de la energía que entrega el combustible.

Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos edificios singulares en los que el vapor puede emplearse para la obtención de agua caliente sanitaria como por ejemplo ciudades universitarias, hospitales, etc.

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Para ello se pueden emplear:

Turbinas de contrapresión: cuando el volumen de vapor necesario para los servicios auxiliares es igual que el de la turbina.

Turbinas con toma intermedia, cuando sólo una parte del vapor de la turbina es necesario para los servicios auxiliares.

El aprovechamiento del calor residual que en otro tipo de instalaciones sólo se emplea parcialmente, hace que el rendimiento de las instalaciones de cogeneración sea notablemente superior; razón por la que actualmente se están fomentando este tipo de instalaciones.

Otra modalidad de cogeneración es la Trigeneración, en la que se utiliza el calor de residual para producir frío mediante el método de absorción además del calor y la energía eléctrica.

TrigeneraciónProcedimiento similar a la cogeneración en el que produce frío, además de energía eléctrica y calor, típicos de la cogeneración.

El frío normalmente es obtenido por el método de absorción ya que, aunque su rendimiento es bastante menor, utiliza calor residual de la producción de electricidad con la producción de frío es mucho más económica y ecológica.

El calor residual que se obtiene es la suma del producido por la generación de electricidad, más el sustraído del proceso de refrigeración. Con lo que se consigue más cantidad de calor aunque a menor temperatura, con la desventaja de que las posibles aplicaciones de este calor pueden verse reducidas.

Otro punto de vista de la cogeneraciónLa cogeneración representa un concepto energético que considera el acoplamiento de dos ciclos termodinámicos donde uno de ellos funciona con los desechos térmicos del otro. En nuestro caso específico, se estudia el acoplamiento entre un motor de combustión interna que impulsa un generador de electricidad por un lado, y un equipo de refrigeración por absorción a Bromuro de litio y agua por el otro, este ultimo funcionando con los desechos térmicos del motor.

Este Trabajo se dedica a la presentación de los fundamentos y herramientas de naturaleza teórica que son necesarios para el desarrollo e interpretación del modelo de cogeneración. Se comienza con los antecedentes de la cogeneración para poder entender su significado histórico, luego se busca comprender la razón de eficiencia de los motores de combustión interna como además de los generadores eléctricos acoplados a estos motores de combustión, los equipos de recuperación de calor residual proyectados por los motores, y por ultimo los sistemas de refrigeración por absorción a bromuro de litio y agua.

Antecedentes de la cogeneraciónLa cogeneración no es un proceso nuevo, su aplicación data de los principios del siglo XVIII donde su más representativa forma eran los pequeños molinos instalados dentro de una chimenea.

A mediado de los años del siglo XIX los postulados de Sadi Carnot ( Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego) estimularon acciones para aprovechar al máximo el vapor de desecho de los motores a vapor, donde el concepto de recuperación era básicamente para la calefacción en las instalaciones industriales. En la última década del mismo siglo se manifestó el nacimiento de la industria eléctrica y la invención de los motores de combustión interna, los cuales propiciaron la expansión del mercado de la generación combinada de potencia y calor.

La cogeneración dentro de su evolución en el pasado no obedecía, como lo es ahora, a la necesidad de ahorrar energía, sino al propósito de asegurar el abasto de la electricidad y el Calor, que en esos años, era insuficiente y no confiable. Paralelamente al uso de turbinas en la generación eléctrica, venían también desarrollándose las máquinas alternativas de combustión interna (MCI), propio de la creciente necesidad de sistemas de generación más pequeños, versátiles y de menor inversión inicial. Pero la cogeneración en estos motores estaba enfocada a la utilización del calor residual para calefacción de las edificaciones, ya sea calentando aire o agua.

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En la actualidad se diversifica el uso del calor residual creando ciclos combinados para el mejor aprovechamiento de la energía primaria, teniendo como ejemplo el acoplamiento de los MCI con los ciclos de refrigeración por absorción.

Descripción del modelo de cogeneración En la Figura 1.10 se representa gráficamente el sistema de cogeneración que es objeto de estudio. Se aprecia que el sistema consiste en el acoplamiento de dos ciclos, uno motor y otro sistema de refrigeración por absorción, descrito mediante los diagramas de Carnot

Figura 1.10. Esquema del sistema de cogeneración

La vinculación entre los dos ciclos lo realiza un sistema de recuperación de calor que toma una fracción de la energía que desecha el motor, para con ello alimentar al generador del ciclo de refrigeración.

De esta manera, de acuerdo a lo que se presenta en la Figura 1.10, se plantean las siguientes ecuaciones que servirán de base para el desarrollo del modelo:

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Q°f = m°f ΔHf "Potencia Térmica del combustible consumido" (1)

W° = ηt Q°f "Potencia mecánica " (2)

Ge° = ηg W° = ηg ηt Q°f "Potencia Eléctrica" (3)

Q°d = Q°f - W° "Potencia de los desechos térmicos" (4)

A partir de este conjunto de ecuaciones se determina el rendimiento del ciclo combinado, η comb , en termino de la potencia de refrigeración, Q°r, y la potencia eléctrica, G°e , en relación con lo que es necesario invertir, siendo esto la potencia térmica del combustible que se entrega en el motor , Q°f , se expresa lo siguiente:

η comb = ( Q°r + G°e ) / Q°f (5)

En nuestro caso, el η comb representa un factor de calidad de energía que servirá como medio de comparación entre sistemas. Este factor es muy característico porque reúne dos tipos de energía, una térmica y otra eléctrica, propio del concepto de Cogeneración.

La Figura.1.11 muestra el circuito de los fluidos que transportan la energía térmica a distintas partes del sistema, esto no es más que una mezcla de agua y aditivo. El sistema de recuperación de calor referido en la Figura.1.11, consta de dos intercambiadores de calor, uno donde se recupera el calor latente posible en la camisa del motor y el otro donde se recupera el calor latente posible de los gases de escape.

De las Figura.1.10 y Figura.1.11, se desprende que para caracterizar el ciclo de cogeneración, como un todo, es preciso caracterizar previamente al MCI, a los intercambiadores de calor, y al ciclo de refrigeración; aspectos estos a ser desarrollado a continuación

Figura 1.11. Circuitos del flujo del sistema de cogeneración

Fuentes de energíaSuponiendo que se tenga la necesidad de una planta generadora, el siguiente paso es considerar el tipo de de fuente energía que esta planta necesitará. Se puede pensar en la energía químicamente almacenada en un combustible como el carbón, el petróleo o gas natural, puede considerarse la energía que recibimos diariamente a través de la radiación solar. En todo caso, los factores intervienen en la decisión de que energía usar son numerosos, otros de carácter técnico, otros de naturaleza económica y, desde luego algunos de orden político.

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Depósitos de energíaSabemos, como resultado de la de la 2ª ley de la termodinámica, que debemos disponer de un pozo o sumidero de calor para convertir continuamente el calor en trabajo útil. También nos indica que el pozo o sumidero debe tener la temperatura más baja posible. La naturaleza ofrece varios sumideros de calor, por ejemplo, los ríos, océanos, lagos y atmósfera. Con la tecnología actual se desecha hacia estos pozos como dos terceras partes de calor con que alimentamos a nuestra planta generadora. Esta enorme cantidad de calor de desecho podría llegar a tener efectos adversos en nuestro medio ambiente. Se concluye que en relación con el medio ambiente, la localización de una planta de gran capacidad constituye una solución que requiere el mayor cuidado.

Sustancias de trabajo. Tal como se indica en la Figura 1.10 de manera esquemática, se puede considerar que una planta termoeléctrica esta constituida por cuatro subsistemas principales: una fuente de energía, un pozo de energía, un depósito de trabajo y un sistema para la conversión de energía. Para producir energía en forma continua el sistema de conversión de energía debe operar de manera cíclica de bodoque, durante parte del ciclo absorba calor de la fuente de energía; durante otra parte del ciclo, ceda calor al sumidero y durante una tercera parte del ciclo, produzca trabajo neto. Para lograr estos efectos, se utiliza una sustancia llamada comúnmente sustancia o fluido de trabajo del ciclo. En las plantas termoeléctricas de vapor, la sustancia de trabajo es el agua.

Figura 1.12. Los 4 subsistemas principales de una planta termoeléctrica.

1.3.9 SELECCIÓN DEL CICLO TERMODINÁMICOPuesto que la rapidez con que se produce trabajo recibe el nombre científico de potencia, a un ciclo termodinámico que permita la continua conversión de calor a trabajo se la conoce como ciclo de potencia. Los ciclos de potencia se pueden clasificar en dos tipos: ciclo de potencia de vapor, en el cual la sustancia de trabajo efectúa un cambio de fase, y los ciclos de potencia de gas, en el cual la sustancia de trabajo permanece en estado gaseoso todo el tiempo durante el ciclo.

Selección de componentes. Una vez que se ha decidido el ciclo y la sustancia de trabajo a emplear en una planta generadora, se debe pasar del diseño conceptual al diseño formal de los diversos elementos que constituirán la planta. Se trata de seleccionar componentes físicos que permitan llevar a cabo los diferentes procesos que forman parte del ciclo. Estos parámetros permitirán que el ingeniero encargado del proyecto determine la factibilidad económica de la planta.

Consideraciones generales. Un ingeniero deberá esforzarse por incrementar la eficiencia térmica de los sistemas generadores de potencia. Esto significa desde el punto de vista de la termodinámica, que siempre debemos tratar de minimizar irreversibilidades de nuestros sistemas. Sin embargo, para lograr lo anterior, generalmente se requiere de equipos de gran tamaño y muy costosos, ya que las irreversibilidades

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se logran reducir solamente al tener rapidez en la transferencia, tendiente a cero. El ingeniero deberá, entonces, llegar a un arreglo, un buen sistema para la generación de energía es aquel que teniendo una eficiencia térmica razonablemente alta cumple con los requisitos económicos, de protección al ambiente y de otra índole.

2. METODOLOGÍA

El trabajo ha sido encarado en el Laboratorio de Térmicas

2.1 EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS Agua

Dos garrafas de GLP

Termocuplas

Balanza

Termómetro

2.1.3 MONTAJE

Figura 2.1. Caldero y los puntos de medición

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2.1.4 PROCEDIMIENTO1. Llenar de agua el caldero

2. Establecer los niveles de control del agua en el caldero

3. Pesar la garrafa de GLP

4. Medir la temperatura del agua y del ambiente más la humedad relativa ambiental

5. Encender el quemador

6. Controlar el tiempo y los parámetros termotécnicos del arranque del caldero (hasta la ebullición)

7. Iniciada la producción de vapor empezar con el control del funcionamiento del caldero (presión, temperatura, nivel de agua) por 25 minutos.

8. Proceder a la obtención de los datos termotécnicos del funcionamiento del caldero:

− Consumo de agua

− Temperaturas de los productos de combustión

− A la salida del hogar

− A la salida de los tupos pirotubulares

− Temperatura del vapor saturado producido

− Temperaturas superficiales de la cubierta del caldero

9. Después de los 25 minutos de producción de vapor apagar el quemador

10. Pesar la garrafa de GLP

11. Ordenar, limpiar y entregar planillas

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3. REGISTRO DE DATOSConfeccionar una planilla de datos en función de los datos termotécnicos a medir establecidos en el procedimiento.

Tabla 3.1. Datos termotécnicos medidos en el caldero

Dato termotécnico Valor Unid. Tiempo

Presión de funcionamiento caldero 330 (kPa) -

Presión de funcionamiento caldero 260 (kPa) 25 (min)

Presión de funcionamiento caldero 270 (kPa) >25 (min)

Temperatura de la llama 1100 [ºC]10 (min),

14 [s]

Temperatura de los productos de combustión (a la salida del hogar)

502 [ºC]10 (min),

14 [s]

Temperatura de los productos de combustión (a la salida del hogar)

114 [ºC] 23 (min)

Temperatura de los humos de los productos de combustión (chimenea)

263 [ºC]10 (min),

14 [s]

Temperatura de los humos de los productos de combustión (chimenea)

287 [ºC] 22 (min)

Temperatura del ambiente 23 [ºC]

Temperatura del vapor (Inicio de la ebullición) 88.6 [ºC]31 (min),

39 [s]

Velocidad de ingreso del aire al quemador

3.3 [m/s]

-

5.13 [m/s]

4 [m/s]

4.7 [m/s]

4.5 [m/s]

4.14 [m/s]

Peso inicial del combustible (GLP) (Garrafa 1) 73.67 [kg]

-

Peso inicial del combustible (GLP) (Garrafa 2) 79.99 [kg]

Peso final del combustible (GLP) (Garrafa 1) 70.89 [kg]

Peso final del combustible (GLP) (Garrafa 2) 75.63 [kg]

Dimensiones para la entrada de aire 11 x 23 (cm2)

Diferencia nivel de agua 45 (mm)

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Tabla 3.2. Datos termotécnicos promedio medidos en el caldero

Dato termotécnico Valor Unid.

Presión de funcionamiento caldero 286.67 (kPa)

Temperatura de la llama 1100 [ºC]

Temperatura de los productos de combustión (a la salida del hogar)

308 [ºC]

Temperatura de los humos de los productos de combustión (chimenea)

275 [ºC]

Temperatura del ambiente 23 [ºC]

Temperatura del vapor (Inicio de la ebullición) 88.6 [ºC]

Velocidad de ingreso del aire al quemador

3.3 [m/s]

5.13 [m/s]

4 [m/s]

4.7 [m/s]

4.5 [m/s]

4.14 [m/s]

Peso inicial del combustible (GLP) (Garrafa 1) 73.67 [kg]

Peso inicial del combustible (GLP) (Garrafa 2) 79.99 [kg]

Peso final del combustible (GLP) (Garrafa 1) 70.89 [kg]

Peso final del combustible (GLP) (Garrafa 2) 75.63 [kg]

Dimensiones para la entrada de aire 11 x 23 (cm2)

Diferencia nivel de agua 45 (mm)

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3. En base de los datos recogidos en la prueba construir el diagrama de Sankey del caldero

Figura 4.1. Diagrama de Sankey del caldero

5. CUESTIONARIO1. En el fundamento teórico insertar un acápite teórico gráfico que responda ¿Qué es la cogeneración, los tipos y sus esquemas?(Véase Fundamento Teórico)

6. CONCLUSIONESEn el presente laboratorio se ha medido los parámetros termotécnicos del caldero, a partir de estos datos experimentales se ha realizado el balance energético del mismo y a su vez se ha calculado las características como la producción de vapor, potencia y rendimiento del caldero, cantidad de aire y productos de combustión y superficie de calefacción del caldero, finalmente, a partir del balance térmico se ha graficado el diagrama de Sankey.

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7. BIBLIOGRAFÍA Rojas Ugarte Jesús Gustavo, Máquinas térmicas 1, Oruro – Bolivia

G.A.Gaffert, Centrales de vapor, Editorial Reverté, S.A:, Edición 1954, Buenos Aires

Gas natural, www.boletin.gasnaturalesp.com.co, 17 de diciembre de 2006, 21:02

Msc. Luís Adolfo Belli, Modelo matemático de un sistema de Cogeneración (I), www.monografías.com, 17 de diciembre de 2006, 22:35

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