Análisis energético y exergético de una instalación de vapor (página 2)

En las siguientes figuras se muestran el esquema y el diagrama i-s del proceso de transformación de la energía calorífica en la instalación estudiada.

Figura1.

Figura 2.

Datos técnicos de la caldera:

Producción de vapor: 440 kg/h.

Consumo combustible: 30.86 kg/h.

Presión de vapor: 1MPa.

Potencia calórica: 304 kw.

Superficie de transferencia: 17.39m2.

Condiciones del medio:

Análisis energético:

El rendimiento energético de la caldera se define como la relación entre el calor útil y el liberado en la caldera. Este rendimiento es bruto.

La cantidad de calor disponible o liberado en la caldera se expresa como:

Donde:

– calor disponible en la caldera

– calor útil

– calor perdido en los gases de escape

– calor perdido por incombustión química

– calor perdido por incombustión mecánica

– calor perdido por transferencia de calor al exterior

– calor perdido por las cenizas

Rendimiento bruto:

Este rendimiento bruto puede escribirse también como:

Donde esta ecuación se le denomina análisis energético por Método indirecto.

Donde los términos q se expresan en por ciento.

Buscando el calor disponible en la caldera.

Donde:

– calor liberado en la caldera o calor disponible en la caldera.

– valor calórico bajo del combustible.

– calor físico del combustible.

Qa – calor aportado por el aire cuando éste es precalentado.

QV – calor aportado por el vapor utilizado en la atomización del combustible.

Las unidades de cada uno de los términos son en kJ/kg o kcal/kg. En el caso de los combustibles gaseosos será kJ/m3 o kcal/m3

1. Para combustibles líquidos:

   

   Datos teóricos del combustible.

   C – Carbono=82%

   H – Hidrógeno=11%

   S – Azufre=3.2%

   O – Oxígeno=0.8%

   1. W – Humedad=2.9%

   N– Nitrógeno=0%

   

   

2. Valor calórico bajo del combustible.
3. Calor físico del combustible.
4. 

   T – Temperatura medida a la entrada del quemador, oscila entre (90-120C).

   C – calor específico del combustible, y se puede determinar, en el caso de combustibles líquidos, por la expresión:

   

   Para fuel – oil y mazut:

   

   

5. donde:

   Este es un calor introducido por el aire en el hogar cuando es previamente calentado. Este calor es cero porque no es previamente calentado.

6. Calor aportado por el aire.
7. Calor del vapor de atomización del combustible.

Este calor es cero porque el combustible no es atomizado.

1. La expresión más general para determinar este calor es:

   

   Donde:

   – flujo de vapor sobrecalentado (kg/h)

   – flujo de vapor que pasa por el recalentador (kg/h)

   – flujo de vapor saturado (kg/h). En las CTE este vapor se utiliza en limpiezas y

   otros menesteres.

   – purgas del domo (kg/h)

   – número de pasos de recalentamiento, es decir, número de veces que se

   recalienta el vapor.

   – consumo de combustible (kg/h)

   – entalpía del vapor sobrecalentado (kJ/kg)

   – entalpía del agua de alimentación (antes de entra el economizador) (kJ/kg)

   – entalpía del vapor a la entrada del recalentador (kJ/kg)

   – entalpía del vapor a la salida del recalentador (kJ/kg)

   – entalpía del agua de la purga (kJ/kg)

   – entalpía del vapor saturado (kJ/kg)

   

   Esto implica que:

   

   Cuando , no se tiene en cuenta este flujo en el cálculo del calor útil.

   En las instalaciones industriales y de servicio, , por lo tanto:

   Estas calderas no tienen necesidad de vapor sobresaturado, es decir: ni tampoco se recalienta el vapor, esto es:

   Por lo tanto, la ecuación adquiere la forma siguiente:

   

   Después de aforar el tanque de combustible y de H2O los resultados son:

   

   

   

   

   

   Rendimiento bruto

   

   

   Método indirecto.

   

2. Hallando el Calor útil.

   

   Donde:

   – entalpía de los gases de la combustión.

   – entalpía del aire frío (antes de entrar al calentador de aire).

   – coeficiente de exceso de aire en los gases de escape. (Valor estimado)

   1. Se determina como:

      

      Donde:

      – entalpía de la parte gaseosa de los productos de la combustión.

      – entalpía de la parte sólida (cenizas) de los productos de la combustión.

      La entalpía de la parte gaseosa se determina como:

      

      Donde:

      – entalpía teórica de la parte gaseosa de los productos de la combustión.

      – entalpía teórica del aire.

      La entalpía teórica de la parte gaseosa se expresa como:

      

      Donde:

      : Volúmenes de los gases triatómicos, biatómicos y de vapor de agua, respectivamente (m3/kg)

      : Entalpía de los gases triatómicos, biatómicos y vapor de agua, respectivamente (kJ/m3)

      Los volúmenes teóricos de los gases anteriores se calculan por las ecuaciones:

      

      

      

      Los términos C, S, N, H, W y , son los definidos anteriormente.

      Las entalpías de cada uno de los componentes gaseosos de los productos de la combustión se determinan mediante tablas, en función de la temperatura de los gases de escape.

      T de g de e, ºC	iCO2, kJ/m3	iN2, kJ/m³	iH2O, kJ/m³	iaire, kJ/m³	icen, kJ/m³
      300	558,8	392,0	426,7	395,2	263,8

      Se asume que la entalpía de los gases triatómicos es igual a la entalpía del dióxido de carbono, esto es:

      

      )

      

   2. Entalpía de los gases de escape o de la combustión.
   3. Entalpía del aire frío (a la entrada de la caldera).

   La entalpía del aire frío se calcula por la expresión:

   

   Donde:

   – volumen teórico de aire, m3/kg

   

   – entalpía del aire frío, kJ/m3

   

   La entalpía del aire frío () se determina por las tablas de propiedades del aire.

   

   

3. Pérdidas de calor de los gases de escape.
4. 

   Después de tener todo calculado se puede sustituir en la ecuación de las pérdidas de los gases de escape.

   

   

5. 

   

   – Factor de capacidad incompleta.

   

   – Producción máxima

   

   

6. Pérdidas de calor por transferencia al exterior.
7. Pérdida total de calor.

La suma de las pérdidas q2, q3, q4, q5 y q6 determinan la pérdida total da calor y la misma caracteriza la eficiencia del proceso de producción de vapor o agua caliente en la caldera.

Sustituyendo en la ecuación de rendimiento:

Rendimiento neto:

Pérdidas en la sala de caldera:

Bomba de H2O—2.20kW

Bomba de Combustible—2.40kW

Ventilador—1.5kW

Motor 1 —50W

Motor 2 —50W

1. Bombillos cuatro—100W

Sustituyendo:

Análisis exergético:

Cálculos en la caldera:

A la caldera entra una corriente de agua a la temperatura C a la presión atm.

La exergía del agua que entra es:

La exergía del calor aportado en la combustión:

La exergía del combustible.

La exergía del vapor que sale de la caldera:

La exergía de los gases de escape:

Por lo tanto la exergía perdida en la caldera, durante la combustión es:

Cálculos en la tubería de vapor:

La corriente de vapor entra en la tubería con los parámetros at. y C y sale del Manifold hacia los tachos con los parámetros at. y C.

La exergía que entra a la tubería es la misma con que sale de la caldera.

La exergía con que sale el vapor hacia los tachos es:

La exergía perdida en la transportación de tuberías y estrangulamiento del vapor en el Manifold es:

Cálculos en los tachos:

La presión de trabajo en los tachos es de 4.5 atm y una temperatura del vapor correspondiente a 140 C.

La exergía de entrada a los tachos es la misma de salida en la tubería de vapor, o sea:

La exergía de salida es considerando que el vapor condensa completamente en los tachos a presión constante, por lo que se calcula los parámetros del líquido saturado según el diagrama:

La exergía que se entrega a la cocción de los alimentos es por lo tanto:

Conclusiones

1. En el análisis de las principales pérdidas energéticas.

• Salideros de vapor, combustible, H2O.
• Tanque del calentamiento de H2O en el cual existen grandes pérdidas de vapor y H2O.
• Válvulas en mal estado.

2. Inconvenientes para realizar un estudio minucioso en la caldera.

• Termómetros de Gases de escape a la salida de la chimenea.
• Termómetros de Fuel oil a la entrada de los quemadores.
• Características del combustible que se utiliza.
• Analizador de gases para regular la combustión.
• Termopares para medir temperaturas en tuberías sin aislar y la temperatura exterior de la caldera.

Propuestas inmediatas.

• Sustituir válvulas en mal estado.
• Valorar el estudio de la factibilidad de la adquisición de un calentador solar o de reponer el tanque que actualmente se utiliza para calentar el H2O.

Nota. Teniendo en cuenta lo anterior expuesto el departamento de mecánica esta en condiciones de reducir las pérdidas de energía energética y realizar un estudio con gran eficiencia de la caldera.

Bibliografía

1. Refrigeración. Mercedes Hernández Fuentes. Editorial Científico Técnica, 1995.
2. Condensadores. Evaporativos con Preenfriamiento. Mario Víctor Iglesias Ruiz. Editorial Científico Técnica, 1996.
3. Tratado Moderno de Termodinámica. Segunda Parte. Hans Baechr.
4. Refrigeración, Enseñanza Técnica. Tomo I, Dirección General de la capacitación.
5. Ingeniería Termodinámica. F. Javier Rey Martínez.
6. Técnica Frigorífica: Producción de Frío. José Antonio Muñoz Valero, Rafael Enamorado Solanes.
7. Diseño de Instalaciones Frigoríficas. Antonio López Gómez.

Autores

Ing. Boris Abel Ramos Robaina

Ing. Yanet Guerra Reyes

2007