A. METODO DIRECTO:
Conocido como el Método de Entrada y Salida de la caldera debido al hecho que esto necesita sólo la salida útil de calor contenida en el vapor y la entrada o suministro de calor a través de una fuente de energía primaria como el combustible, para evaluar la eficiencia.
Como su nombre lo indica consiste básicamente en medir directamente los flujos de ingreso y salida de calor del sistema, obteniendo directamente los valores de Qu y Qs.
Exige la disponibilidad de instrumentos de medición adecuados para el caso del aire: registrar el volumen, presión, temperatura, para el combustible: la composición y para el caso del vapor: la presión y cantidad de producción.
Esta eficiencia puede ser evaluada usando la fórmula:
η= Energia o Potencia CalorificaUtil
Energia o PotenciaCalorifica suministrada∗100
η=m´v∗(h2−h1) ´
mc∗Pci ∗100 Dónde:
´
mv =Flujo másico de vapor generado
(h2−h1) =Variación de entalpía de vapor.
´
mc = Flujo másico del combustible consumido, PCI: Poder calorífico inferior.
B. METODO INDIRECTO:
Llamada también como el método de las pérdidas de calor. Las desventajas del método directo pueden ser vencidas por este método, que calcula varias pérdidas de calor asociadas con la caldera. La eficiencia puede ser llegada, restando las fracciones de pérdida de calor de 100. Una ventaja importante de este método consiste en que los errores en la medida no hacen el cambio significativo de la eficiencia.
Así si la eficiencia de caldera es el 90%, un error del 1 % en el método directo causará el cambio significativo de la eficiencia. Es decir:
90% ± 0.9 = 89.1 % a 90.9 %.
En el método indirecto, el error del en la medida de pérdidas causará: Eficiencia = 100-(10±0.1) = 89.9 a 90.1 %.
La aplicación de este método se basa sobre todo en el análisis de gases de chimenea, y no requiere la medición del vapor generado.
SEGÚN NORMA TECNICA PERUANA: 350.300.2008
η=100 −
∑
i=1
6
P i
Dónde: ηcald .: Eficiencia de laCaldera ( ) P1: Perdida por la entalpiade los gases secos
P2: Perdida por la entalpiadel vapor de agua enlos gases P3: Perdida por inquemados gaseosos
P4: Perdida por inquemados solidos P5: Perdida por conveccion
P6: Perdida por radiacion
1. Pérdida por la entalpía de los gases de escape secos
Es la pérdida porcentual de calor debida a la entalpía en los gases de escape, en base seca, se calcula mediante:
P1=k∗(Tg−Ta) %VolCO2 Dónde:
Ta : Temperatura ambiental o del ingreso al quemador, °C.
%VolCO2: Concentración volumétrica de CO2 en los gases de
escape, base seca.
k = Constante de Siegert para el Combustible.
Cuadro N°01: Propiedades de los Combustibles
TIPO CTE DE SIEGERT (k) CO2MAX % CONSTANTE (K1)
RESIDUALES 0.53 15.8 54
DESTILADOS 0.48 15.5 53
GLP 0.4 13.8 48
GAS NATURAL 0.35 11.9 40
Fuente: NTP 350.300.2008
El valor de la constante de Siegert puede ser calculado para cualquier combustible, mediante:
k =255∗%WtC PCS Donde:
%WtC : Porcentaje en peso de C contenido en el combustible, %. La relación entre los contenidos de CO2 y O2 es:
%VolCO2=
(
1−%Vol O221
)
∗%Vol CO2, MAXLos Valores típicos de %VolCO2MAX se muestran en el cuadro 01.
2. Pérdida por la entalpía del vapor de agua en los gases.
La pérdida porcentual de calor debida a la entalpía del vapor de agua en los gases de escape, se calcula mediante:
P2=(%Wt H 2 O+9∗%Wt H )∗(2488−4.2Ta+2.1Tg ) PCS
Dónde:
%Wt H2O: Porcentaje en peso de H2O contenido en el combustible, %. %Wt H: Porcentaje en peso de H contenido en el combustible, %.
PCS = Poder calorífico superior del combustible, kJ/kg. 3. Perdida por inquemados gaseosos
La pérdida porcentual de calor bebido a los inquemados gaseosos, se calcula mediante:
P3=k1
(
%VolCO%Vol CO 2+%Vol CO
)
Dónde:k1 = Es la constante de Inquemados del Combustible.
%Vol CO2: Concentración volumétrica de CO2 en los gases de escape,
base seca.
%Vol CO: Concentración volumétrica de CO en los gases de escape, base seca.
4. Pérdida por inquemados sólidos
La pérdida porcentual de calor bebida a los inquemados sólidos, se calcula mediante:
P4 = 0.14*B2 + 0.08*B + 0.07
Dónde:
B = Índice de Bacharach, mediante el cual se evalúa la opacidad de los gases de la combustión.
Tabla N°02: Índice de Bacharach
INDICE DE BACHARACH CALIFICACION EFECTOS
1 EXCELENTE NO HAY HOLLIN
2 BUENA HOLLIN MUY REDUCIDO
3 REGULAR CIERTA CANT. DE HOLLIN
4 POBRE HOLLIN VISIBLE
5 MUY POBRE HOLLIN MUY VISIBLE
Fuente: NTP 350.300.2008
5. Pérdida por convección
La pérdida porcentual de calor debida a la convección, se obtiene sumando las pérdidas porcentuales por convección para cada tipo de superficie exterior, mediante:
P5=80∗Qp 5 Wc Dónde: Qp5 = hcf*Af*(Tsf – Ta) + hcg*Ag*(Tsg – Ta) hef = (1.973*10-3)*(Tsf – Ta)0,25*(2.857*v+1)0.5 hcg = (1.973*10-3)*(Tsg – Ta)0,25*(2.857*v+1)0.5 Wc = 9.81*BHP Dónde:
Qp5 : Calor perdido por convección, por unidad de tiempo kW.
hcf = Coeficiente de convección de la superficie exterior de la caldera,
que cubre al fluido de trabajo, kW/m2°C
hcg = Coeficiente de convección de la superficie exterior de la caldera,
que cubre a los gases de la combustión, kW/m2°C
Tsf = Temperatura de superficie exterior de la caldera, que cubre al fluido
de trabajo, °C (se asume la temperatura exterior del tambor o cilindro del caldero).
Tsg = Temperatura exterior de la caldera, que cubre a los gases de la
combustión, °C (se asume la temperatura exterior de la chimenea).
Af = Superficie de la superficie exterior de la caldera, que cubre al
fluido de trabajo, m2 (se asume la superficie exterior del caldero)
Ag = Superficie de la superficie exterior que cubre los gases de escape,
v = Velocidad del viento alrededor de la caldera, m/s. Wc = Potencia de la caldera, kW.
6. Pérdida por radiación
La pérdida porcentual de calor debida a la radiación, se obtiene sumando las pérdidas porcentuales por radiación para cada tipo de superficie exterior, mediante:
P6=80∗Qp 6 Wc Donde: Qp6 = If*Af + Ig*Ag If = 5.763*10-11* e*[(Tsf + 273)4 – (Ta + 273)4] Ig = 5.763*10-11*e*[(Tsg + 273)4 – (Ta + 273)4] wc = 9,81*BHP Dónde:
If = Flujo de calor radiante en la superficie exterior de la caldera, que
cubre el fluido de trabajo, kW/m2
Ig = Flujo de calor radiante en la superficie exterior de la caldera, que
cubre los gases de la combustión, kW/m2
e = Emisividad del material que cubre al caldero.
TRABAJO DOMICILIARIO
En una planta se tiene 4 unidades de generación del tipo Pirotubular, Marca DISTRAL, modelo D3B-900-150 de 900 BHP y con capacidad nominal de producción 14.1 Ton/h, cuyo año de instalación fue en 1998.
En condiciones de operación los calderos consumen en promedio 45 galones de R500 por hora, con una presión de trabajo de 110 lb/pulg2,
además el agua de alimentación al caldero tiene una temperatura de 95°C.
La composición del combustible residual medido en laboratorio MARCONSULT SA, se obtuvo los siguientes valores:
Parámetro Promedio %Wt C 84.5 %Wt H2 11.3 %Wt S 2.5 %Wt O2 1.5 %Wt N2 0.2 %Wt H2O 4.2 *
* Composición en peso en base húmeda.
Las condiciones en el entorno de las calderas se midio de los cuales se muestran los siguientes parámetros:
Parámetro Unid. Cald.1 Cald.2 Cald.3 Cald.3
Temp. Ambiente °C 30 27 28 27
Velocid. viento m/s 3.5 3.2 3.6 3.5
Se realizaron las mediciones a los calderos pirotubulares, del cual se muestran en el cuadro siguiente:
ANALISIS DE EMISIONES Y OPACIDAD (CONDICION ACTUAL DE FUNCIONAMIENTO)
Parámetros Unid. Caldera 1 Caldera 2 Caldera 3 Caldera 4
O2 % 8.4 11.1 7 8.6
CO2 % 9.8 7.7 10.9 9.6
CO ppm 19 53 30 14
Índice de Bacharach
- 5 5 7 6
Exceso de aire % 62.9 105.7 47.2 65.4
Se realizaron una serie de mejoras al funcionamiento del caldero en la línea de petróleo, como mantenimiento de componentes (válvulas de control, seguridad, presostatos, etc), cambio de filtros. Además de una calibración de la combustión, para mantener la R(A/C) dentro de los parámetros de funcionamiento técnico. Se realizaron las mediciones a los calderos pirotubulares nuevamente, del cual se muestran en el cuadro siguiente:
ANALISIS DE EMISIONES Y OPACIDAD (CONDICION CON REGULACION)
Parámetros Unid. Caldera 1 Caldera 2 Caldera 3 Caldera 4
O2 % 4.3 6.8 5.9 5.5 CO2 % 13 11 11.7 12 CO ppm 21 19 23 11 Temp. de Gases °C 204 204.9 205.6 229.2 Índice de Bacharach - 4 5 7 4 Exceso de aire % 24.3 45.2 36.9 33.5
Las áreas superficiales determinadas para el cuerpo de la caldera es 92.9 m2 y para el cuerpo de la chimenea es 24 m2.
