Eficiencia térmica de caldera

Clasificación y constituyentes. Combustión. Mantenimiento. Calderas industriales y domésticas. Balance de energía

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LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

INFORME DE LABORATORIO

EFICIENCIA TÉRMICA DE CALDERA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

SANTAFÉ DE BOGOTÁ

2000EFICIENCIA TÉRMICA DE CALDERA

OBJETIVOS

  • Determinar mediante el análisis de los humos el porcentaje en peso de hidrógeno y carbono en el combustible.

  • Realizar el balance de masa en la caldera tomando como base de cálculo 100 kg de combustible quemado en la caldera.

  • Sobre la base de cálculo anterior, realizar el balance de energía alrededor de la sección de combustión (hogar) y determinar el rendimiento térmico de la caldera, despreciando las pérdidas por radiación.

  • Determinar la calidad del vapor a la entrada de la turbina.

  • Efectuar el balance de energía en el condensador de la planta térmica y determinar la pérdidas de calor y el coeficiente de transferencia de calor UD.

  • Determinar la potencia entregada por la turbina.

  • Determinar el rendimiento térmico del ciclo termodinámico.

  • Determinar el costo de 1 kWh de energía eléctrica generada.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

  • Caldera pirotubular de dos pasos y 5 pies²/BHP modelo D-240. Potencia: 40 BHP. Presión de diseño: 150 psig. Producción de vapor saturado a 212 °F, 1 atm y agua de alimentación a 212 °F: 1380 lb/h.

Máxima presión de trabajo recomendada de acuerdo a la graduación de las válvulas de seguridad y a la presión de diseño: 142 psig.

Combustible ACPM.

  • Medidor de humedad: contador para la medición del volumen de agua en galones, con una exactitud de ± 0.5 galones.

  • Planta Westinghouse para generación de electricidad cuyo conjunto turbina generador, consta de un generador de 3750 rpm, 110 voltios, DC, manejado por una turbina de vapor de una etapa simple del tipo impulso de dos hileras.

  • Condensador: posee tubos de 5/8 de pulgada 18 BWG con un área efectiva de transferencia de calor de 1.45 pie².

MARCO TEÓRICO

COMBUSTION:

Oxidación rápida de una sustancia (combustible) acompañada por el calor

GENERADORES DE VAPOR:

Todo equipo que en virtud de la energía química de un combustible o una reacción nuclear cambiar el estado de agregación de una sustancia de trabajo a un estado final de vapor saturado.

CLASIFICACION DE LAS CALDERAS:

Según su Uso:

  • Estacionarias (calefacción)

  • Móviles (Locomotoras)

Según La Situación del Hogar:

  • Interna

  • Externa

Según los Materiales:

  • Fuertes: acero especiales.

  • Calefacción: Hierro colado.

Según el Contenido de los Tubos:

  • Pirotubulares

  • Acuatubular

Según el Combustible:

  • Liquido

  • Sólido

  • Gaseoso

Según la Combustión:

  • Fuego

  • Nuclear

  • Eléctrica

Según La Potencia:

  • Baja (<10 Tn/h)

  • Media (10-50 Tn/h)

  • Alta (50-150 Tn/h)

  • Muy Alta (>150 Tn/h)

Según Forma y Posición de los Tubos:

  • Rectos

  • Curvos

  • Horizontales

  • Verticales

  • Inclinados

Según la Circulación:

  • Natural

  • Forzada

CONSTITUYENTES DE LAS CALDERAS:

Unidad de Presión:

  • Caldera (Cambio de estado de agregación de la sustancia de trabajo.)

  • Recalentadores

  • Precalentadores o Economizadores

Unidad de Combustión

  • Boquillas

  • Transformador Elevador (110V a 10000 V)

MANTENIMIENTO DE CALDERAS

  • Pretratamiento de agua pH 10.5-11

  • Mantenimiento Eléctrico

Se presentan daños por

  • Picadura (DBO)

  • Espuma (Sólidos disueltos a alta velocidad)

  • Incrustaciones (Sales Insolubles ca++, Mg++)

Las Calderas Industriales

Se emplea principalmente para proporcionar energía en forma de vapor, sin embargo, existe un amplio número de aplicaciones en las que la formación de vapor es incidental para un proceso químico; por ejemplo la unidad de recuperación química en la industria papelera, un calentador de monóxido de carbono en una refinería de petróleo o una caldera de calor residual para gas de enfriamiento en un horno de hogar abierto. En una planta industrial no es extraño que las calderas industriales sirvan para muchas aplicaciones; por ejemplo, en un molino de pulpa de papel, el calentador de recuperación química se emplea para convertir el licor negro en sustancias químicas útiles y de esta manera generar vapor para el proceso. En la misma planta una unidad de combustión de corteza recupera calor del material de desperdicio y genera también energía. Las calderas industriales queman petróleo, gas, carbón y una amplia variedad de productos y/ó subproductos.

Las estadísticas actuales muestran que la combustión del carbón pulverizado es la selección más apropiada para calderas grandes, cuya capacidad es superior a 113398 kg/h. Para calderas de capacidad media, es decir, de 45359 a 113398 kg/h la selección dominante es respecto a las alimentadas mecánicamente, aunque se esta incrementando el empleo de calderas que queman carbón pulverizado, ya que su mayor eficiencia térmica las hace atractivas en el limite superior del intervalo de capacidad media.

El factor más importante que debe considerarse cuando se comparan las calderas alimentadas mecánicamente por fogonero y las que queman carbón pulverizado es la reducción de la eficiencia debido a la perdida de carbono. Una caldera de carbón pulverizado bien diseñada puede mantener una perdida de eficiencia debido a que el carbono no quemado es menor a 0.4%. En una uni

dad de combustión alimentada mecánicamente por un alimentador distribuidor donde existe una continua descarga de cenizas, la perdida de carbono usual será de 4 a 8%, dependiendo de la cantidad de reinyección que se logra.


Diagrama de flujo del ciclo

PROCEDIMIENTO

La caldera es encendida y estabilizada hasta su presión de suministro de vapor en un intervalo de operación de la misma de 95 psig a 105 psig. La práctica puede ser iniciada tan pronto como la unidad este en condiciones estables de suministro de vapor. El tiempo requerido para alcanzar la estabilización o equilibrio con respecto a la presión y temperaturas, es de media hora como mínimo en esta planta, ya que es de un tamaño pequeño.

Las variables del proceso (presiones y temperaturas) en la planta térmica deben mantenerse estables durante toda la práctica.

La temperatura de los gases de chimenea se mide a partir del momento en que enciende el quemador y durante cada 5 segundos hasta que el quemador se apague.

Las cantidades acumulativas medidas (combustible y agua de alimentación), deben ser tomadas durante el tiempo que dure la práctica (aproximadamente 4 ciclos), para tratar de minimizar los posibles errores de medición ya que la caldera es del tipo on/off y por lo tanto no alimenta agua ni combustible en todo momento.

Para obtener el flujo de combustible en lb/h durante el tiempo que dure la práctica, debe medirse el volumen de combustible consumido en el tanque volumétrico y dividir por el tiempo en horas (tiempo de duración de la práctica). El diámetro del tanque es de 19.3 cm.

La medida del flujo de agua el lb/h, se hace tomando la lectura en el contador que se encuentra en la línea de suministro de agua, en el momento de iniciar la práctica y al momento de finalizar ésta. Este valor se corrige con el cambio de nivel tanto en el tanque de alimentación de agua a la caldera, como en la caldera misma, que se observe, durante el periodo de tiempo que dure la práctica.

Las condiciones de prueba de esta práctica están determinadas por la demanda de vapor. La unidad generadora de electricidad debe estar trabajando a carga máxima, con presión de vapor vivo en la línea de 75 psig y trabajando con vapor saturado.

El tiempo total de la práctica se mide desde el momento en que se enciende el quemador hasta el momento en que se enciende nuevamente el quemador en el quinto ciclo.

DIAGRAMA DE FLUJO

MUESTRA DE CÁLCULOS

A partir de análisis ORSAT se tiene:

BALANCE DE MATERIA

  • Para el Carbono:

Eficiencia térmica de caldera

  • Para el oxígeno:

Eficiencia térmica de caldera

  • Para el hidrógeno:

Eficiencia térmica de caldera

  • Porcentajes:

Eficiencia térmica de caldera

Ahora tomando como base de cálculo 100 kg de combustible se tiene:

  • Para el carbono

Eficiencia térmica de caldera

  • Para el hidrógeno:

Eficiencia térmica de caldera

  • Para el oxígeno:

Eficiencia térmica de caldera

  • Para el aire:

Eficiencia térmica de caldera

GASES DE SALIDA

Eficiencia térmica de caldera

BALANCE DE ENERGÍA

Para cada compuesto (CO, CO2, H2O, N2) se tiene:

H = (moles reales del compuesto)x(Cp compuesto)x(Tgases-T­ref.)

Cp = a +b(T-Tref)+c(T2-Tref2)+d(T3-Tref3), en donde a, b, c, d son constantes tabuladas.

Tenemos que el balance de energía queda:

Eficiencia térmica de caldera

El calor aprovechado se puede calcular como: HHV+Hi-HO-(PC)-pérdidas.

El rendimiento térmico será:

Eficiencia térmica de caldera

CALCULOS QUE SE DESARROLLARAN PARA LA PLANTA TERMICA

Los datos que se definiran en el desarrollo de la practica para llevar a cabo los cálculos correspondientes a la planta térmica son:

Presiones a la entrada de la turbina, en el condensador; Temperatura del vapor a la salida de la turbina (entrada al condensador), temperatura del agua a la salida del condensador de la planta, temperatura del agua en el calorímetro, temperaturas de entrada y salida del agua de refrigeración en el condensador.

  • Calidad del vapor alimentado a la turbina

Se basa en la operación del calorímetro de estrangulamiento ISOENTALPICA, y se calcula así:

Eficiencia térmica de caldera

hv = Entalpía del vapor a la presión absoluta de entrada a la turbina

hf = Entalpía de líquido saturado a la temperatura del calorímetro

hg = Entalpía del vapor saturado a la temperatura del calorímetro

hv entrada = hv salida

  • Potencia entregada por la turbina

La potencia entregada por la turbina puede calcularse como

Eficiencia térmica de caldera

mv = Flujo de vapor a través de la turbina

h = Cambio de entalpía en la turbina

El flujo de vapor a través de la turbina es el correspondiente flujo que pasa a ser tratado por el condensador, así puede ser calculado a partir de los datos de volumen de condensado y tiempo tomados en el laboratorio

Eficiencia térmica de caldera

La entalpía de entrada a la turbina es igual a la entalpía de salida del calorímetro HV

La entalpía de salida de la turbina se puede determinar a partir de la calidad del vapor de salida de la siguiente manera

Eficiencia térmica de caldera

sv = Entropía del vapor a la presión absoluta de entrada a la turbina

sv entrada = sv salida La turbina opera ISOENTROPICAMENTE

sf = Entropía de líquido saturado a la temperatura del calorímetro

sg = Entropía del vapor saturado a la temperatura del calorímetro

Así a partir de la definición de calidad en función de las entalpías vista anteriormente se tiene

Eficiencia térmica de caldera

Eficiencia térmica de caldera

  • Balance de energía en el condensador

Eficiencia térmica de caldera

Qv = mv (he-hs) Flujo de calor cedido por el vapor

he = Entalpía del vapor húmedo que sale de la turbina ya calculada

hs = Entalpía líquido saturado a la presión del condensador

Qa = ma Cp(Te-Ts) Flujo de calor tomado por el agua de refrigeración del condensador

Qp = Flujo de calor perdido en el condensador

  • Coeficiente UD para el condensador

Eficiencia térmica de caldera

Q = Flujo de calor retirado en la condensación del vapor

A = Área efectiva de transferencia de calor

T = LMTD

  • Rendimiento Térmico del ciclo termodinámico

Eficiencia térmica de caldera

El calor proporcionado por la caldera se determina así.

QCALDERA = magua * (h vapor de agua - h liquido)

DIAGNÓSTICO ACERCA DEL EQUIPO

Se debe buscar un mecanismo más efectivo para la determinación del combustible consumido durante el desarrollo de la práctica. Con esto se busca que se pueda realizar de forma más correcta y simple el balance energético alrededor de la caldera y de la planta térmica. Los datos que se obtiene actualmente son fuente de errores graves para los cálculos.

Se debe tratar de implantar equipos de medición de los flujos de agua y combustible que eviten que se cometan errores en la toma de los datos y posteriormente en la aplicación de estos a cálculos que arrojarán resultados erróneos en la práctica.

El proceso llevado en la caldera requiere del establecimiento de un mecanismo efectivo para el tratamiento de los gases liberados por la combustión que permitan el uso de su contenido energético y también que disminuyan su alto grado de contaminación, para así disminuir el impacto ambiental que este trae en la liberación de energía y contaminación.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Al analizar los resultados obtenidos del análisis ORSAT se observa que el %CO2 no es muy elevado, mientras que el %CO es alto, respecto a los valores que se esperaban. Se espera que en la caldera se produzca combustión completa y por lo tanto, que el análisis ORSAT no mostrara CO. A parir de estos resultados se obtuvo un porcentaje de combustión completa de tan solo el 89.23 %, el cual resulta ser relativamente bajo.

A partir el análisis ORSAT se obtuvo los porcentajes en peso del combustible, el cual fue de 90.45% de C y de 9.55% de H. Como el porcentaje del C es bastante alto, se puede afirmar que el combustible proporciona gran cantidad de calor en el proceso de combustión. Esto se puede verificar si se observan tablas de calores de combustión (Perry, tabla 3-207), en donde si aumenta el %C del hidrocarburo, se aumenta su calor de combustión.

Después de realizar el balance de energía sobre el hogar de la caldera se puede calcular el rendimiento térmico de la misma, cuyo valor obtenido fue del 85.70%. Considerando que la mayoría de los procesos de transferencia de calor presentan una eficiencia relativamente baja, se cree que el rendimiento térmico de la caldera es bastante elevado.

En la plante térmica se obtiene una eficiencia de tan solo el 26.90%, la cual es muy baja. Sin embargo hay que considerar que la mayoría de los ciclo térmicos que se llevan a cabo en la vida real tienen eficiencias muy bajas, las cuales oscilan entre el 20 y 40%.

La calidad del vapor obtenido a la entrada de la turbina es superior a 1, los cual es algo ilógico. Se debe tener en cuenta revisar la toma de los datos para este cálculo o revisar los equipos de medida de dichos datos, para localizar en donde se encuentra la inconsistencia termodinámica.

El coeficiente global de transferencia de calor del condensador fue de 41.99 BTU/h pie2 ºF, el cual no resulta ser muy elevado, comparado con los valores que se encuentran en la literatura (entre 100 y 150 BTU/h pie2 ºF). La potencia entregada resultó ser de 253.8422 BTU/min, la cual tampoco resulta ser muy elevada.

Por último, se observa en la gráfica de temperatura de los gases de chimenea en función del tiempo, que la caldera tiene un comportamiento constante, a excepción del tercer ciclo, en donde se presentan unas pequeñas variaciones. En los otros 4 ciclos, el tiempo de duración y las temperaturas son aproximadamente iguales.

CONCLUSIONES

  • El rendimiento térmico de la caldera resulto ser bastante elevado.

  • A pesar de lo anterior, el análisis ORSAT mostró que la combustión que se dio en la caldera no fue completa y que se obtuvo una gran cantidad de CO.

  • El rendimiento de la planta térmica no es muy elevado, lo que indica que el ciclo es poco eficiente.

  • Se debe instalar un equipo más efectivo para la determinación del combustible en la caldera.

  • El valor del UD obtenido para el condensador es muy bajo comparado con los datos que se leen en la literatura.

  • La potencia que entrega la turbina no es muy elevada.

BIBLIOGRAFIA

GOODING GARAVITO, Nestor. Operaciones Unitarias II: Manual de Prácticas 1 ed. Santafé de Bogotá; Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería. 1998. Pág. 109-137.

SHIELD, Carl. Calderas: Tipos, Características y sus funciones. 1ed. México: Continental, 198. Pág. 20-72

PERRY, Robert; GREEN ,Don y MALONEY, James. Perry: Manual del Ingeniero Químico.6ed. México: Mc Graw Hill,1998. Vol III, Pág. 9-72 a 9-83. ISBN 468-422-973-9

MC.CABE, Warren; SMITH, Julian; HARRIOTT, Peter. Operaciones unitarias en ingeniería química. Mc Graw Hill, 1991, cuarta edición. Sección 3.

PP

Línea de vapor

Recalentamiento de vapor

Gases de combustión

CALDERA

Nivel

Tanque ACPM

ACPM

Calorímetro de estrangulamiento

Aire atmosférico

VENTILADOR

TURBINA

GENERADOR

TANQUE DE AGUAEficiencia térmica de caldera

Nivel

CONDENSADOR

ROTÁMETRO

TANQUE DE CONDENSADO

Salida de agua

Entrada de agua

Contador de

agua

Lectura de la hora de finalización de la práctica.

Detener la lectura

Lectura de la hora de inicio de la práctica.

Medir cantidad de agua alimentada y combustible

NO

SI

Cuatro ciclos

SI

NO

Quemador apagado

Cada 5 seg lectura temperatura gases de chimenea

Enciende el quemador

Caldera encendida y estabilizada.

Presión de suministro de vapor

95-105 psig

FIN