Calderas Umh

AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [1/27]

BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS

1 Introducción2 Funcionamiento de una caldera3 Pérdidas energéticas en calderas4 Balance energético en una caldera. Rendimiento energético5 Ejercicios

Pedro G. Vicente Quiles

Área de Máquinas y Motores Térmicos

Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales

Universidad Miguel Hernández

1

CALDERAS

Objetivos


1. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas para identificar los flujosenergéticos útiles y las pérdidas energéticas.

2. Realizar un balance energético en una caldera, determinando la localización y mag-nitud de las pérdidas energéticas.

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CALDERAS

Definición, Introducción


Aplicaciones:

Agua Caliente Sanitaria

Calefacción

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CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Clasificación según Norma UNE 9.002 (I)


Por la transmisión del calor:

• De convección.

• De radiación.

• De radiación y convección.

Por el combustible utilizado:

• De carbón (de parrilla mecánica o pulverizado).

• Para combustibles líquidos.

• Para combustibles gaseosos.

• Para combustibles especiales (lejías, resíduos vegetaleso agrícolas, etc.).

• Para combustibles variados (calderas policombustibles).

Por la presión de trabajo:

• Subcríticas: baja (p≤1 bar), media (1<p<13 bar) y alta presión (p>13 bar).

• Supercríticas.

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CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Clasificación según Norma UNE 9.002 (II)


Por el tiro:

• De tiro natural. El tiro se produce por la diferencia de densidad de los humos delos gases de combustión y el aire exterior.

• De tiro forzado: con hogar en sobrepresión, depresión o equilibrado.

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CALDERAS PIROTUBULARES

Funcionamiento.


Los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de un volumen de agua,todo ello rodeado por una carcasa interior. Diseño limitadoa 25 bar.

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Esquema tridimensional


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Fotografía de la caldera en fabricación


8


Fotografía caldera pirotubular


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ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN

Pérdidas de energía en la combustión


PÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA

Producción de inquemados. Definición de un rendimiento de lacombustión.

Pérdidas por inquemados sólidosQis.

Pérdidas por hidrocarburos inquemadosQCH.

Pérdidas porCOy H2 inquemados.

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Pérdidas por combustión incompleta


PÉRDIDAS POR INQUEMADOS SÓLIDOSPis

Inquemados sólidos producen opacidad de los gases de combustión. Medida medianteÍndice de Bacharrach.

Bacha- Pérdidas Característicasrrach ( % PCI) de la combustión

1 0,8 Excelente. Ausencia de Hollín2 1,6 Buena. Hollín poco perjudicial3 2,4 Mediana. Cierta cantidad de hollín. Limpieza anual4 3,5 Pobre. Humo visible. Moderado a rápido ensuciamiento5 4,6 Muy pobre. Ensuciamiento seguro. Varias limpiezas al año6 5,7 Pobrísima

Relación Pis(%) y la lectura de la opacidad OP( %)

Pis(%) =21

21−O2×

(

OP(%)

65

)

% del calor total

Se producen principalmente en combustibles sólidos y en menor medida en combustibleslíquidos y pueden ser entre el 2 y el 3 % del total.

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PÉRDIDAS POR HIDROCARBUROS INQUEMADOSPCH

En los combustibles líquidos y gaseosos es habitual que no sequeme una parte de loshidrocarburos produciéndose pérdidas por hidrocarburos inquemados PCH. Estas pérdidasse pueden determinar de forma aproximada mediante:

PCH(%) =21

21−O2×

(

CH1000

)

siendoO2 el % deO2 en los gases yCH las ppm de hidrocarburos.

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PÉRDIDAS PORCO Y H2 INQUEMADOS PCO

No todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma enCO2 y enH2O.

QCO = 32800− (32800x+9200(1−x))kJ/kg deC

De igual modo, si se supone de solamente se transforma ely por uno deH2 a H2O, lapérdida por hidrógeno inquemado resulta:

QH2= 120900(1−y)kJ/kg deH

Habitualmente se considera que los inquemados deH2 con iguales a los inquemadosdeCO (que sí de miden). Adicionalmente a las expresiones indicadas anteriormente, laspérdidas por inquemados deCOy H2 se pueden calcular de forma aproximada mediante

PCO(%) =21

21−O2×

(

CO3100

)

siendoO2 el % deO2 en los gases yCO las ppm de CO en los gases.

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PÉRDIDAS TOTALES POR INQUEMADOS

Pinq = PCO+PH2 +PIS+PCH % del calor total

De forma aproximada se pueden calcular mediante:

Pinq(%) =21

21−O2×

(

CO3100

+CH1000

+OP(%)

65

)

Por convenio se suele considerarCH = CO, ya que generalmente los aparatos se medidaúnicamente midenCO.

RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN

Definido debido a que la combustión no es completa.El calor liberado por el combustible no esQc = mPCI. Definición:

η(%) = 100−Pinq(%)

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VALORES ÓPTIMOS DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN

Fuelóleo Gasóleo Gas naturalExceso de aire % 15 a 20 10 a 15 5 a 10O2 % 3 a 4 2 a 3 1 a 2Bacharrach 2 1 a 2 -COppm 400 <400 <400CH ppm 400 <400 <400

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CALDERAS

Pérdidas energéticas en Calderas


1. PÉRDIDAS POR INQUEMADOS

Se producen inquemados porque no todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido enel combustible se transforma enCO2 y en H2O respectivamente. Además, aparecen laspérdidas por inquemados sólidosPIS o por hidrocarburos inquemadosPCH.Las pérdidas totales por inquemados resultan:

Pinq = PCO+PH2 +PIS+PCH

Las pérdidas por inquemados se pueden calcular mediante esta expresión teórico-experimental.

Pinq(%) =21

21−O2×

(

CO3100

+CH1000

+OP65

)

siendoO2 el % deO2 en los gases,CO las ppm de CO en los gases,CH las ppm de CHen los gases (hidrocarburos) yOP la opacidad de los gases ( %).

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CALDERAS



2. PÉRDIDAS POR LOS GASES DE ESCAPE

Expresión de las pérdidas de calor en los gases de escape:

Pgases(%) = 100×mgcp,g(tg,s− tre f)

mf PCI

El calor específico medio,cp,g se puede tomar bien el correspondiente al aire seco(1,1 kJ/kg◦C) o bien determinarlo a partir de su composición.

cp,g =i=n

∑i=1

COMPi cp,i kJ/kg◦C

Asimismo se puede emplear la expresión del tipo

cp,g = M +Ntg,

donde los coeficientesM y N dependen del combustible, y del exceso del aire de la com-bustión.

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CALDERAS



3. PÉRDIDAS POR LAS PAREDES

Ppar =i=n

∑i=1

Ai he(tp,ext− tamb)

dondeAi están atp,ext y he = he,R+he,C.

Convección natural. Caldera en interior de edificio

• Pared horizontal:he,C = 2,8 4√

tp,ext− tamb

• Pared vertical:he,C = 1,18 4√

(tp,ext− tamb)/H

• Pared cilíndrica:he,C = 1,13 4√

(tp,ext− tamb)/de

Convección forzada. Caldera al aire libre.

• he,C = 4,88+3,6V, dondeV es la velocidad del viento en m/s.

Radiación.

• he,R =[

4,96×10−8ε(tp,ext+273)4− (tamb+273)4]

/(tp,ext− tamb).

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CALDERAS

Balance energético. Rendimiento energético


RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CALDERA

Rendimientoη(%) = 100×Energía útil

Energía consumida

Método directo del cálculo del rendimiento.Si se dispone de la instrumentaciónadecuada, se puede calcular directamente el rendimiento

η(%) = 100×m1(hv1,s−hag,e)+ m2(hv2,s−hag,e)

mf PCI

Método indirecto o de separación de pérdidas.Empleando el concepto de energíaútil, el rendimiento de la caldera será:

η(%) = 100×[

1−Pérdidas

Energía consumida

]

= 100−Pgas(%)−Pinq(%)−Ppar(%).

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CALDERAS

Balance energético. Ejercicios


EJERCICIO 1. En una caldera de gasóleo C se realiza el siguiente análisis de humos:%O2 = 5 %CO2 = 12, CO= 200ppm, Thumos= 150◦C. Determina la temperatura derocio de los humos.

De la Tabla 8.2 se obtiene que la combustión se realiza con un coeficiente de excesode aire den = 1,3, volumen de humos húmedos de 14,47 m3N/kgcomb, masa de humoshúmedos de 18,79 kg/kgcomby una composición de agua en humos de 1,01 kg/kgcomb.El volumen de agua en humos es de:

VH2O = mH2O22,4 m3N/kmolMH2O kg/kmol

= 1,01·22,418

= 1,26 m3N/kgcomb

La presión parcial del agua en los humos es de:

Pp = PT yH2O = PTVH2O

VHH= 101300

1,26 m3N/kgcomb

14,47 m3N/kgcomb= 8820 Pa

Interpolando se obtiene que la temperatura de rocío de los humos es de 41,5◦C.

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CALDERAS



EJERCICIO 2. Calcula las pérdidas de energía por humos en% de la caldera del Ejer-cicio 1.

Para determinar las pérdidas de energía en humos, supondremos una temperatura ambi-ente de 20◦C. El calor específico de los humos a la temperatura media, esto es, a 85◦C esdecp = 1,049+0,0001108· (85+273) = 1,09. El PCI del gásoleo C es 40 964 kJ/kg.Las pérdidas de energía en los gases de escape se pueden calcular mediante,

Pge(%) = 100×mgecp,ge(tge− ta)

mf PCI= 100×

18,79·1,09· (150−20)1 ·40964

= 6,5%.

Empleando la expresión de Sieggert,

Pge(%) = K ×tge− ta

CO2+SO2= 0,58·

150−2012,16+0,04

= 6,2%.

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CALDERAS



EJERCICIO 3. Calcula las pérdidas de energía por inquemados en% de la caldera delEjercicio 1.

Las pérdidas por inquemados a falta de información sobre la opacidad de los humos re-sultan:

Pinq(%) =21

21−5·(

2003100

+2001000

)

= 0,35%

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CALDERAS



EJERCICIO 4. Una caldera pirotubular de 2 metros de diámetro y 3 metros de longitudtrabaja a una temperatura de 80◦C. La virola es de acero y tiene un espesor de 10 mm yestá cubierta con una capa de aislante de fibra de vídrio de 30 mm de espesor. La calderaestá instalada al exterior con velocidad de viento de 2 m/s. Estima las pérdidas de energíapor transferencia de calor al ambiente (30◦C).

La temperatura del agua en la caldera es de 80◦C. Se considera que el coeficiente detransmisión de calor interiorhi es elevado y por tanto la temperatura de la pared interiorserá la del fluidot2 = t1. La conductividad térmica del acero es dekac= 50 W/m◦C y la delaislante dekais = 0,1 W/m◦C. Además como el diámetro es mucho mayor que el espesor,se puede considerar en toda la superficie transmisión de calor en superficies planas.Coeficiente de transmisión de calor en la pared circular.

1Ue,c

=1,041hi

+1,04ln(1,01/1,00)

50+

1,04ln(1,04/1,01)0,05

+1

14,03.

1Ue,c

=1∞

+1

4832+

11,64

+1

14,03=

11,468

⇒Ue,c = 0,681.

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CALDERAS



Coeficiente de transmisión de calor en las tapas.

1Ue,t

=1

1hi+

0,0150

+0,040,05

+1

14,03.

1Ue,t

=1∞

+1

5000+

11,25

+1

14,03=

11,148

⇒Ue,t = 0,87.

Las pérdidas por transferencia de calor serán,

Ppar = [(πDL)Ue,c +(2πD2/4)Ue,t ] (t1− t5)

Ppar = [19,6 ·0,681+6,80·0,87] · (80−30)= 963 W.

siendo la temperatura en la pared exterior de la virola,

(t5− t4) =Ppar

Aehe=

19,6 ·0,681·5019,6 ·14,03

= 2,4⇒ t4 = 32,4◦C.

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CALDERAS



EJERCICIO 5. Una caldera consume en 24 h 152,5 kg de gasóleo C (PCI=40000 kJ/kg).Determinar el diagrama Sankey y rendimiento de la caldera. Se dispone de la siguienteinformación adicional: temperatura de los humos: 210◦C, coeficiente de exceso de aire:n = 1,2, pérdidas por inquemados: 2 %, pérdidas por las paredes: 3,8kW. Cond. ambi-entales: 101300 Pa y 25◦C.

Energía aportada por el combustible,

Qf = mf PCI = (152,5/24/3600)40000= 70,6 kW.

Pérdidas por las paredes,

Pp = 3,8 kW , Pp(%) = 5,3%

Pérdidas por inquemados,

Pinq(%) = 2,0%, Pinq = 1,4 kW

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CALDERAS



Pérdidas por gases de escape

mge = 0,00176(1+1,2 ·13,67) = 0,031 kg/s,

Pge= mgecp,ge(tge− tre f) = 0,031·1,1(210−25) = 6,25 kW (8,85 %).

Energía útil

Eu = Qf−Pge−Ppar−Pinq = 70,6−6,25−3,8−1,4 = 59,2 kW.

Rendimientos de la caldera

η(%) = 100·Eu

Qf= 100·

59,270,6

= 83,8%.

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CALDERAS

Bibliografía


Bibliografía recomendada:

Molina, L.A., Molina, G., 1993, capítulo 2.

Molina, L.A., Alonso J.M., 1996, capítulo 2.

Hernández, J.J., Lapuerta, M, 1998, capítulos 5 y 7.

CEE, Libro II. Generación de Vapor, 1983, capítulos 2, 3 y 4.

CEE, Tomo 1, Fundamentos y ahorro en operaciones, 1982, pp. 133-175.

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