ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
UNIDAD CULHUACAN
ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UN GENERADOR DE VAPOR DE
350 MW
T
E
S
I
S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
DE INGENIERÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS
PRESENTA
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA
DIRECTORES DE TESIS
DR. GUILLERMO JARQUIN LÓPEZ DR. GEORGIY POLUPAN
AGRADECIMIENTOS
A DIOS: Por permitirme disfrutar de la vida, por poner los medios para
entrar a la maestría y darme la fortaleza espiritual y física para cumplir mi
meta.
A MIS PADRES: La Sra. Araceli Noriega Reynoso y el Sr. Miguel Angel
Del Río Soberanis. Quienes son mi más grande orgullo, ejemplo de
dedicación y esfuerzo, a quienes agradezco todo su amor, cariño, apoyo y
sus sabios consejos que me han ayudado a tomar decisiones correctas.
A MI HERMANA: Ingrid, que siempre ha estado conmigo y me ha
brindado todo su apoyo, afecto y cariño incondicional. Comparto contigo
una meta más lograda en mi vida.
A MIS TIOS Y PRIMA: La Sra. Dora Luz Del Río Soberanis, el Sr.
Miguel Angel Carballar Gómez y Lorena Isel Alvarado Del Río. Por
abrirme las puertas de su hogar y de su corazón, por haberme hecho sentir
siempre en casa y con mi familia, por todo su cariño, apoyo y comprensión
muchas gracias, este logro es suyo también.
AL IPN: Por proveerme de todos los recursos necesarios para el logro de
este objetivo.
AL DR. GUILLERMO JARQUIN: Por la oportunidad de realizar la
maestría, tomando la responsabilidad de dirigir mi trabajo. Además de su
entusiasmo, consejos y amistad brindados durante el recorrido de este
camino.
AL DR. GEORGIY POLUPAN: Por su paciencia y apoyo en la
elaboración del presente trabajo y a quien admiro por su profunda
dedicación y conocimiento
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA
ÍNDICE GENERAL
DESCRIPCIÓN
PÁGINA
LISTA DE FIGURAS
I
LISTA DE TABLAS
II
NOMENCLATURA
III
OBJETIVOS
V
RESUMEN
VI
ABSTRACT
VII
INTRODUCCIÓN
VIII
CAPÍTULO 1:
GENERALIDADES
1.1
Generalidades
2
1.2
Descripción de generador de vapor
3
1.2.1 Componentes del generador de vapor
3
1.2.2 Generadores de vapor utilizados para la generación de
energía eléctrica
5
1.2.3 Descripción de los componentes generales del generador
de vapor
6
1.3
Perspectivas del consumo de combustibles
9
1.4
Características del combustóleo
12
1.4.1 El combustóleo mexicano
13
1.4.2 Combustión de combustibles fósiles
14
1.5
Condiciones meteorológicas en la planta termoeléctrica
“Villa de Reyes”, San Luis Potosí
15
1.6
Primera ley de la termodinámica
16
1.6.1 Balance térmico del generador de vapor
17
1.7
Eficiencia térmica de un generador de vapor
19
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA
CAPÍTULO 2: METODOLOGÍA
DE
CÁLCULO
DE
LA
EFICIENCIA TÉRMICA
2.1
Metodología de cálculo de eficiencia térmica para un
generador de vapor
21
2.2
Método directo de cálculo de eficiencia térmica
21
2.3
Método de cálculo indirecto o de las pérdidas
22
2.4
Metodología del cálculo de la eficiencia térmica para un
generador de vapor de 350 MW que quema combustóleo
23
2.4.1 Cálculo de los productos de la combustión
24
2.4.2 Pérdida de calor con los gases de escape,
30
2.4.3 Pérdidas de calor por combustión incompleta química,
y mecánica,
33
2.4.4 Pérdida de calor por convección,
34
CAPÍTULO 3: EJEMPLO DE APLICACIÓN A CARGA 100%
3.1
Introducción
39
3.2
Descripción del generador de vapor instalado en la planta
termoeléctrica “Villa de Reyes”, San Luis Potosí
39
3.3
Arreglo general del generador de vapor de 350 MW
40
3.4
Cálculo de eficiencia térmica
41
3.5
Análisis de parámetros termodinámicos de los productos
de la combustión del combustóleo a condiciones de la
planta termoeléctrica Villa de Reyes
41
3.6
Análisis de pérdidas de calor
45
3.6.1 Pérdida de calor con los gases de escape,
para carga
100% a condiciones de temperatura promedio anual
45
3.6.2 Pérdidas de calor por combustión incompleta química,
y combustión incompleta mecánica,
47
3.6.3 Pérdida de calor por convección,
48
3.6.4 Coeficiente de eficiencia energética a carga 100% y
condiciones ambientales promedio de la planta
termoeléctrica Villa de Reyes
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA
CAPÍTULO 4: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1
Resultados de cálculo de parámetros necesarios para el
cálculo de la eficiencia térmica del generador de vapor
54
4.2
Pérdida de calor con gases de escape
59
4.3
Pérdidas de calor por combustión incompleta química,
y combustión incompleta mecánica,
60
4.4
Pérdida de calor por convección
60
4.5
Resultados de eficiencia térmica a diferentes condiciones
ambientales
62
CONCLUSIONES
69
RECOMENDACIONES
70
REFERENCIAS
71
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA I
LISTA DE FIGURAS
FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
1.1 Arreglo general del generador de vapor de 350 MW 4
1.2 Producción de energía por fuente en Estados Unidos 11
1.3 Producción de energía por fuente en E.U. de 1949 al 2008 12 1.4 Diagrama de balance de energía de un Generador de Vapor,
de acuerdo a la primera ley de la termodinámica 18
3.1 Central termoeléctrica Villa de Reyes 39
3.2 Arreglo general del generador de vapor de 350 MW. 40
3.3 Dimensiones de las paredes del hogar del generador de
vapor con cotas en mm. 49
4.1 Pérdida de calor por gases de escape (%), a diferentes cargas
parciales y condiciones meteorológicas 59
4.2 Pérdida de calor por convección y radiación, a diferentes
cargas parciales y condiciones meteorológicas 61
4.3 Resultados de cálculo de eficiencia térmica a diferentes
cargas parciales y a temperatura 19.5 °C 62
4.4 Resultados de cálculo de eficiencia térmica a diferentes
cargas parciales y a temperatura 14.4 °C 63
4.5 Resultados de cálculo de eficiencia térmica a diferentes
cargas parciales y a temperatura 23.1 °C 64
4.6 Resultados de cálculo de eficiencia térmica a diferentes
cargas parciales y a temperatura 3 °C 65
4.7 Resultados de cálculo de eficiencia térmica a diferentes
cargas parciales y a temperatura 35 °C 66
4.8 Eficiencia térmica del generador de vapor a diferentes cargas
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA II
LISTA DE TABLAS
TABLA DESCRIPCIÓN PÁGINA
1.1 Composición del combustóleo utilizado en la P.T.E. Villa de
Reyes 14
1.2 Temperaturas promedio registradas en Villa de reyes, San Luis
Potosí 16
2.1 Densidad de los gases en condiciones normales de referencia 26
2.2 Temperatura de salida de los gases de escape 33
2.3 Perdidas de calor por combustión incompleta química y
mecánica 33
2.4 Valores de los regímenes de flujo, para el número de Reynolds 36 3.1 Valores de de los productos de la combustión y del aire 43
3.2 Poder Calorífico de Combustibles líquidos 46
4.1 Datos requeridos para el cálculo de la eficiencia térmica a una
temperatura de 19.5 °C y diferentes cargas parciales 54
4.2 Datos requeridos para el cálculo de la eficiencia térmica a una
temperatura de 14.4 °C y diferentes cargas parciales 55
4.3 Datos requeridos para el cálculo de la eficiencia térmica a una
temperatura de 23.1 °C y diferentes cargas parciales 56
4.4 Datos requeridos para el cálculo de la eficiencia térmica a una
temperatura de 3 °C y diferentes cargas parciales 57
4.5 Datos requeridos para el cálculo de la eficiencia térmica a una
temperatura de 35 °C y diferentes cargas parciales 58
4.6 Resultados de cálculo de las pérdidas de calor con gases de
chimenea para las diferentes condiciones ambientales 59
4.7 Temperatura de salida de los gases de escape 60
4.8 Resultados de cálculo de las pérdidas de calor por convección
para las diferentes condiciones ambientales 61
4.9 Resultados de cálculo de eficiencia térmica valorada con
temperatura promedio anual de 19.5 °C 62
4.10 Resultados de cálculo de eficiencia térmica valorada con
temperatura promedio del mes de Enero de 14.4 °C 63
4.11 Resultados de cálculo de eficiencia térmica valorada con
temperatura promedio del mes de Mayo de 23.1 °C 64
4.12 Resultados de cálculo de eficiencia térmica valorada con
temperatura extrema mínima 3 °C 65
4.13 Resultados de cálculo de eficiencia térmica valorada con
temperatura extrema máxima 35 °C 66
4.14 Resultados de cálculo de eficiencia térmica valorada a diferentes
condiciones de temperatura 67
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA III
NOMENCLATURA
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD
Área de una pared del horno m2
Consumo de Combustible del Generador de Vapor ⁄
Calor específico del combustible
Base de los logaritmos naturales -
Valor local de la aceleración de la gravedad cm/s2
Cantidad teórica en peso del par de los productos de la
combustión
Entalpía de los gases de combustión
Entalpía del aire
Entalpía del volumen teórico del aire
Entalpía del aire frio kJ/kg
Entalpía del dióxido de carbono
Entalpía de los gases de escape kJ/kg
Entalpía de la cantidad de exceso de aire Entalpía del volumen teórico de los productos de la combustión
Entalpía del vapor de agua
Entalpía de infiltraciones kJ/kg
Entalpía del nitrógeno
Entalpía del dióxido de azufre
h Altitud del lugar m
k Conductividad térmica W/m.°C
L Longitud de una pared del horno m
Número de Nusselt -
Poder calorífico inferior
Presión del lugar kPa
Número de Prandtl -
Presión atmosférica en Villa de Reyes kPa
Presión atmosférica normal al nivel del mar kPa
Pérdida de calor con gases de escape %
Pérdida de calor por combustión química incompleta % Pérdida de calor por combustión mecánica incompleta %
Pérdida de calor por convección %
Flujo de calor kW
Calor del aire exterior
Calor del combustible
Calor disponible en la cámara de combustión
Calor útil del Generador de Vapor
R Constante del aire ergios g-1 K-1
Número de Reynolds -
Temperatura del combustible °C
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA IV
SIMBOLO DESCRIPCIÓN UNIDAD
Temperatura de la pared del horno °C
Temperatura promedio de transferencia de calor °C
Temperatura de la superficie de la pared del horno °C
Temperatura del aire ambiente °C
V Velocidad del viento promedio en Villa de Reyes m/s
Cantidad teórica de aire que es necesario para la
combustión completa de 1 kg. de combustible
Volumen teórico del dióxido de carbono en los productos de la combustión
Volumen teórico de los gases hacia la chimenea
Volumen teórico de los gases secos en los productos de
la combustión
Volumen teórico del nitrógeno en los productos de la
combustión
Cantidad teórica necesaria de oxígeno para la
combustión de 1 kg. de combustible líquido o sólido
Volumen de los gases RO2 (suma de volúmenes de
gases CO2 y SO2)
Volumen teórico del dióxido de azufre en los productos
de la combustión
Exceso de aire %
Exceso de aire en la chimenea %
Exceso de aire en el precalentador de aire %
Exceso de aire en la chimenea %
Eficiencia térmica %
Densidad del monóxido de carbono en condiciones normales de referencia kg/m3 Densidad del dióxido de carbono en condiciones
normales de referencia kg/m
3
Densidad del hidrógeno en condiciones normales de
referencia kg/m
3
Densidad del vapor de agua en condiciones normales
de referencia kg/m
3
Densidad del nitrógeno en condiciones normales de
referencia kg/m
3
Latitud geográfica ° ’
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA V
OBJETIVOS
A)
OBJETIVO GENERAL:
Determinar la eficiencia térmica del generador de vapor de 350 MW que quema combustóleo a diferentes cargas parciales y condiciones ambientales.
B)
OBJETIVOS PARTICULARES:
1. Calcular las pérdidas de calor que experimenta el generador de vapor durante su funcionamiento, trabajando a cargas parciales y diferentes condiciones ambientales.
2. Determinar la eficiencia térmica a la cual funciona el generador de vapor en condiciones arriba mencionadas.
3. Analizar las eficiencias térmicas que presenta el generador de vapor en las diferentes condiciones y poder conocer dichas eficiencias para cualquier temperatura que se presente en el lugar en cuestión.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA VI
RESUMEN
En este trabajo se desarrolló una metodología de análisis energético para determinar la influencia que tiene la temperatura del medio ambiente sobre la eficiencia térmica de un generador de vapor de 350 MW que quema combustóleo a carga 100% y cargas parciales, instalado en la ciudad de Villa de Reyes, San Luis Potosí.
Para realizar el estudio se llevó a cabo una investigación de las condiciones ambientales de la ciudad de Villa de Reyes, para temperaturas extremas, promedio anual de temperatura, promedio verano y promedio invierno.
Se aplicó el método indirecto de cálculo de eficiencia térmica, ya que este permite conocer que pérdidas de calor que experimenta el generador de vapor al variar la temperatura del ambiente.
La metodología consiste en la determinación de cinco pérdidas de calor que afectan el desempeño del generador de vapor. Estas pérdidas de calor son las siguientes: pérdida
de calor con gases de escape, pérdida de calor por combustión química incompleta, pérdida de calor por combustión incompleta mecánica y la pérdida de calor
por convección y radiación.
Como resultado se obtuvo una variación de la eficiencia térmica para las diferentes condiciones ambientales, presentándose una diferencia máxima de 1.04 % en condiciones de temperaturas extremas.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA VII
ABSTRACT
In this work has developed a methodology of energy analysis to determine the influence that environmental temperature has in the thermal efficiency of a steam generator of 350 MW that burns fuel oil to 100% charge and partial loads, which is installed in the Power plant of Villa de Reyes, San Luis Potosí.
In order to carry out the work it was investigated environmental conditions of Villa de Reyes, extreme temperatures, average temperature along the year, on summer and in winter.
The indirect method of thermal efficiency was applied, because this method takes into account the heat losses generated by the steam generator if environmental temperatures changed.
The methodology consists of the calculation of heat losses that affect the performance of the steam generator. These losses of heat are the following: loss of heat with exhaust gases, loss of heat by chemical combustion incomplete, loss of heat by mechanical incomplete combustion and the loss of heat by convection and radiation.
As a result it was obtained a variation of thermal efficiency at different environmental conditions, in this work when steam generator operates at extreme temperatures was found a maximum difference of thermal efficiency of 1.04 %.
VIII
INTRODUCCIÓN
La importancia y prioridad que el sector energético ha dado al ahorro de energéticos y a los efectos que el uso inadecuado de estos causa sobre el ambiente, han hecho del concepto Optimización Energética un compromiso nacional de interés económico y social [1]. Actualmente en el mundo, existe una gran preocupación por el ahorro y uso eficiente de la energía; siendo los generadores de vapor uno de los equipos con mayores aplicaciones dentro de la industria, su uso representa un gran consumo de combustible, por lo que el lograr una operación más eficiente de los mismos es de vital importancia
[2].
Para lograr el uso eficiente de un generador de vapor se deben tomar en cuenta diversos factores como son: las características del combustible, el exceso de aire que se maneja, la limpieza de las superficies de transmisión de calor, el ajuste de los quemadores, la temperatura y la humedad del aire para la combustión, la condiciones de combustión y el tipo de operación [1].
La generación de energía eléctrica en nuestro país proviene en un 68.8% de centrales termoeléctricas. [3] y más de la mitad de estas queman combustóleo. En la planta termoeléctrica “Villa de Reyes” ubicada en San Luis Potosí, se encuentran instalados dos generados de vapor de 350 MW tipo Mitsubishi Heavy Industries que queman combustóleo, cuya composición química difiere muy poco de la del petróleo [4] dicho combustóleo cuenta con una composición química de 84,64% de C, 11.3% de H, 4.2% de S, 0.37 de N y 0.49 de O [5].
El objetivo principal de este trabajo es realizar un estudio completo que explique la influencia que tiene la temperatura del medio ambiente sobre la eficiencia térmica de un generador de vapor que quema combustóleo a carga 100% y cargas parciales, instalado en la ciudad de Villa de Reyes, San Luis Potosí.
El trabajo consta de 4 capítulos, cuyo contenido es el siguiente:
El capítulo I contiene información referente al el estado del arte del generador de vapor y sus componentes principales, se hace una descripción general de la eficiencia térmica y el método de cálculo indirecto de la eficiencia térmica, así como las características del combustóleo y en particular del combustóleo mexicano, se hace referencia a la primera ley de la termodinámica y el balance térmico del generador de vapor y se presentan las condiciones meteorológicas de Villa de Reyes.
En el capítulo II se presenta la metodología del cálculo de la eficiencia térmica para un generador de vapor de 350 MW que quema combustóleo, las fórmulas para el cálculo de los productos de la combustión, para las pérdidas de calor generadas durante el proceso de operación del generador de vapor y por último el procedimiento de cálculo para la eficiencia térmica.
En el capítulo III se encuentra impreso el cálculo de los productos de la combustión, así como un ejemplo de cálculo de eficiencia térmica empleando el método indirecto o de
IX las diferentes pérdidas de calor generadas por el generador de vapor durante su operación para condiciones de temperatura promedio anual.
En el capítulo IV se encuentran impresas gráficas y tablas de los resultados de cálculo de eficiencia térmica por el método indirecto para las diferentes condiciones ambientales que se presentan en Villa de Reyes, a la vez se hace un análisis de cada uno de los casos y por último se hace la conclusión del trabajo en cuestión.
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
En este capítulo se presenta el estado del arte del
generador de vapor y sus componentes
principales, se hace una descripción general de la
eficiencia térmica y el método de cálculo indirecto
de
la
eficiencia
térmica,
así
como
las
características del combustóleo y en particular del
combustóleo mexicano, se hace referencia a la
primera ley de la termodinámica y el balance
térmico del generador de vapor y se presentan las
condiciones meteorológicas de Villa de Reyes.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 2
1.1 GENERALIDADES
Tradicionalmente, la principal fuente energética ha sido el combustible fósil. Aún hoy en día, su combustión es fundamental en la mayoría de los sistemas eléctricos del mundo. En definitiva, esto se traduce en un imparable crecimiento de quema de combustible y emisiones contaminantes a la atmósfera, lo que ligado a una creciente demanda energética en todo el mundo, hace que sea indispensable buscar alternativas sostenibles; es por ello que se ha hecho del concepto Optimización Energética un compromiso nacional de interés económico y social.
El principal consumidor de combustóleo nacional es la Comisión Federal de Electricidad, debido a que aproximadamente el 75% de la producción total de electricidad se realiza en centrales termoeléctricas que queman hidrocarburos para su funcionamiento, y de éstas, las que utilizan combustóleo (63%) aportan más del 50% de la generación eléctrica en el país.
Siendo los generadores de vapor uno de los equipos con mayores aplicaciones dentro de la industria, su uso representa un gran consumo de combustible, por lo que el lograr una operación más eficiente de los mismos es de vital importancia. Los combustibles fósiles son un recurso no renovable y su existencia algún día terminará. De ahí resulta la necesidad de aprovechar al máximo la energía aportada por el combustible, y de esta manera proteger el medio ambiente al evitar quemar el combustible innecesariamente.
Para hacer más eficiente la operación del generador de vapor, es necesario realizar pruebas periódicas para así poder detectar a tiempo desviaciones del punto óptimo de operación del mismo y hacer los ajustes correspondientes a fin de obtener siempre un mejor aprovechamiento de los combustibles.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 3
Para lograr lo anterior mencionado es necesario contar con métodos confiables que aseguren que la eficiencia de operación del generador de vapor sea lo más cercana a la realidad.
1.2 DESCRIPCIÓN DE GENERADOR DE VAPOR
Consiste esencialmente en un recipiente que contiene agua que se transforma en vapor por la aplicación de calor [6], en otras palabras es un equipo intercambiador de calor cerrado herméticamente, sujeto a presión qué por medio de la combustión de algún combustible transfiere energía a un fluido, generalmente agua, para obtener vapor.
El vapor generado se conduce a través de tuberías, hacia los diferentes puntos del proceso. Entre las aplicaciones más importantes del uso del vapor generado en las calderas están: generación de potencia (plantas eléctricas), evaporación de soluciones de sal y azúcar en evaporadores, utilización del vapor en intercambiadores de calor para calentar diversas soluciones, se utiliza en la industria textil, en hoteles y en hospitales.
1.2.1 Componentes del generador de vapor
Un generador de vapor se compone de los siguientes elementos: horno, sobrecalentador, recalentador, economizador, domo de vapor, precalentador de aire y las paredes de tubos de agua; junto con varios auxiliares tales como: pulverizadores, colectores de polvo, quemadores, ventiladores y la chimenea [7].
Cada uno de estos componentes, tiene una función vital para el correcto funcionamiento del generador de vapor, algunos logran cumplir con el objetivo del generador que es el de generar vapor y otros adicionalmente sirven para hacer más eficiente su funcionamiento.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 4
La figura 1.1 muestra el esquema de un generador de vapor de 350 MW con los componentes y accesorios anteriormente mencionados, en ella se puede observar a través de números y colores, cual es la posición que ocupan cada uno de estos elementos en el generador de vapor.
Posteriormente, los accesorios serán descritos a detalle para tener una amplia perspectiva de su significado y función dentro del proceso de generar vapor.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 5
1.2.2 Generadores de vapor utilizados para la generación de energía eléctrica
Para el presente estudio se considerará el equipo ubicado en la planta termoeléctrica Villa de Reyes. La Central Termoeléctrica Villa de Reyes, S.L.P., ubicada a 40 km al Sur de San Luís Potosí, está equipada con dos unidades generadoras de 350 MW cada una, para un total de 700 MW de capacidad instalada, siendo apoyo importante en la demanda del Sistema Eléctrico Nacional. En la figura 1.1 se muestra el arreglo general del generador de vapor de 350 MW. Instalado en la planta termoeléctrica Villa de Reyes, se aprecia la zona de sobrecalentadores, los ductos de agua de alimentación y de gases de recirculación, así como el hogar del generador de vapor.
Las principales características que deben cumplir los generadores de vapor utilizados en las centrales termoeléctricas son [8,9] las siguientes:
1.- Eficiencia elevada: representada por una adecuada transmisión de calor y pérdidas mínimas, se requiere del uso de superficies de calefacción auxiliares, cubiertas bien aisladas, desviadores efectivos, etc.
2.- Disponibilidad de operación: La tendencia de construir generadores de vapor de gran capacidad, que no requieren el apoyo de otros equipos, exige que el tipo de construcción asegure el servicio continuo. Para lo anterior, es necesario que los materiales empleados soporten el servicio a altas temperaturas.
3.-Producción de vapor limpio: el vapor producido debe estar a las condiciones más adecuadas para el funcionamiento del generador de vapor.
4.- Uniformidad de recalentamiento: Es una exigencia de la temperatura del vapor sobrecalentado a carga completa.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 6
5.- Fluctuaciones de carga: deberá tener capacidad para operar a capacidades parciales, de acuerdo a la variación de la carga.
1.2.3 Descripción de los componentes principales del generador de vapor
A continuación se presenta una breve descripción, de los principales componentes del generador de vapor en estudio.
Domo de vapor
El domo de vapor es un recipiente cilíndrico que cuenta con grandes dimensiones, con un diámetro de 0,9 - 1,8 m y longitud que llega a los 30 m., Estos dispositivos se encuentran ubicados en la parte alta de la caldera, su función principal es la de separar el vapor saturado de la mezcla vapor-agua que sale de los tubos de la misma [6].
Quemadores
Estos dispositivos son los encargados de suministrar los reactivos para la combustión, quemar el combustible, disponer de un encendido continuo (mediante un piloto), ubicar la flama y darle forma. Este equipo debe aportar los reactivos en proporciones que se encuentren dentro de los límites de flamabilidad para el encendido, así como también para lograr una combustión constante y completa, cuidando que no se tenga un desplazamiento de la flama a regiones de baja temperatura donde se apagaría.
Los quemadores en forma general se pueden dividir en tres grupos, los cuales son: de gas, líquido y sólido, además se pueden clasificar en dos tipos básicos que son los de premezclado y los directos; en los primeros el combustible y el oxidante, se mezclan antes del encendido. En los segundos, se mezclan el combustible y el oxidante en el punto de ignición o encendido.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 7
El quemador se compone de tres compartimentos de aire, uno para aire principal de combustión y dos para aire auxiliar. Se encuentran, localizados arriba y abajo del compartimento de aire principal, las toberas se inclinan de arriba o hacia abajo 30 °C, controladas por el control de temperatura del vapor sobrecalentado, también controlan la presión diferencial caja de aire-horno, con el objeto de mantener la mezcla optima de aire-combustible y por ende la estabilidad de la flama.
Horno
El hogar de la caldera o cámara de combustión está formado por paredes de tubos por donde circula el agua que se convertirá en vapor, en dichas paredes se encuentran los quemadores que pueden ser frontales o tangenciales. En los quemadores se lleva a cabo la mezcla de aire con el combustible, en la proporción adecuada para la reacción de combustión.
Es en el hogar donde se libera la energía química del combustible, energía que producirá vapor de agua con las condiciones que se requieren en la turbina para generar energía eléctrica. El 60% del calor total generado es absorbido en el hogar. Y es precisamente en el hogar donde el calor suministrado cambia de líquido saturado a vapor seco saturado (calor latente de vaporización) [7].
Ventiladores de Tiro Forzado (VTF)
Son los encargados de introducir todo el aire necesario para la combustión. El control de flujo de aire se efectúa regulando hidráulicamente la inclinación de sus aspas, desde el cuarto de control.
Ventiladores de tiro inducido (VTI)
Se encargan de evacuar los humos producto de la combustión a la chimenea y a través de esta, llevarlos a la atmósfera [10]. La presión del hogar es controlada mediante las compuertas de entrada de estos ventiladores.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 8
Ventiladores recirculadores de gases:
El objeto de estos equipos es contribuir al control de temperatura del vapor sobrecalentado y recalentado. Cuentan con compuertas en la succión y la descarga para mantener un sello de aire, evitando así que sea expuesto a calor por conducción y se dañe el equipo cuando se encuentra fuera de servicio, cuenta además con torna flecha para evitar su deformación.
Sobrecalentadores y recalentadores:
Se diseñan en forma de bancos de tubos alineados que incrementan la temperatura del vapor saturado sin incrementar su presión, convirtiendo el vapor saturado, en vapor sobrecalentado [11].El vapor sobrecalentado incrementa la eficiencia de la planta y al mismo tiempo el minimiza el problema de corrosión y erosión de los alabes de la turbina [7]. Son intercambiadores de una sola fase, con flujo de vapor por el interior y flujo de humos por el exterior, en flujos cruzados [11].
Economizador
La pérdida de calor más grande en la caldera es el del calor llevado por los humos a través de la holgura de la chimenea. Algo de calor llevado por los humos es utilizado para calentar el agua de alimentación. Los gases calientes pasan sobre los varios tubos en los cuales circula el agua de alimentación. Esta agua de alimentación consigue ser levemente calentada antes de alimentar el domo de la caldera. Con el uso del economizador se consigue un ahorro del 10% (5 a 6 °C de la temperatura del agua de alimentación) [7].
El banco tubular dispone de tubos en serpentín horizontales paralelos, con el flujo de agua por el interior de los tubos, en contracorriente con el flujo de los humos [11].
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 9
Precalentador de aire
La función del precalentador de aire es similar a la del economizador. Cubre una cierta porción de calor residual de los humos que vienen hacia fuera el economizador y la utiliza para calentar el aire antes de que pase al horno. El aire caliente se utiliza para la combustión en el horno, ya que aumenta la eficiencia de la combustión. Por el uso del precalentador de aire, la eficiencia total aumentará en el cerca de 10% [7].
Chimenea
Es diseñada para asegurar, en todo momento, que los gases emitidos no van a afectar la calidad del aire ambiente, a nivel del suelo. La dispersión y difusión de gases hace reducir la concentración de contaminantes a valores muy bajos. Esto se logra por la sobre-elevación del penacho en la alta atmósfera, favorecido por la temperatura, la velocidad de los gases y la altura de la chimenea.
1.3 PERSPECTIVAS DEL COMSUMO DE COMBUSTIBLES
La mayor parte de la energía producida hoy en los Estados Unidos viene de los combustibles fósiles: carbón, gas natural, petróleo crudo, y líquidos de las plantas de gas natural.
Dado lo anterior, muchos son los indicadores que respaldan, afirmativamente, una próxima crisis energética planetaria derivada del agotamiento y del alto consumo de combustibles fósiles, y muy particularmente los que proceden del petróleo.
Es preciso constatar que no es del empleo de los recursos de lo que debemos culpabilizarnos, sino del mal uso, desequilibrado, y de la poca o casi ninguna previsión futura que hacemos de los mismos y/o como finalmente los restituimos al planeta.
ING. MIGUEL ANGEL DEL RÍO NORIEGA 10
Más allá de las incidencias en el cambio climático de nuestro planeta, derivados de los desechos producidos por el consumo de combustibles, estamos hablando de un fenómeno que podría traer una desestabilización, e incluso paralización, de los sistemas industriales de producción, y como consecuencia, involucra decisivamente todo el sistema económico y financiero mundial, de la sociedad tecnológica a la que nos hemos acostumbrado a habitar.
Adentrándonos en este tema, constatamos que existen estudios económicos fehacientes que establecen que "La era del petróleo fácil se ha acabado". La carestía alcanzada hasta la fecha nos evidencia escasez o exceso de demanda. Desde la invasión de Iraq su precio se ha más que triplicado y su ascenso es continuo, sin producirse una estabilización de este proceso, e incluso hay sectores que afirman que es imposible un retroceso en los precios.
Mirando hacia el futuro, a no muy largo plazo, podemos vislumbrar que a medida que el petróleo no pueda cubrir la demanda global, habrá importantes sectores de la economía mundial que quedarán desabastecidos, y como es lógico y en primer lugar los países con menores recursos o empobrecidos serán los más afectados, y luego, aquéllos que tienen mejor posición económica a través de reservas y divisas, pero que ineludiblemente seguirán la misma suerte.
Inclusive, puede llegar un momento en que el actual sistema económico y financiero experimente un colapso, pues está creado sobre la base de los intereses del capital, cuyo principal fundamento es el crecimiento de las economías y desarrollo industrial, que a su vez se basa y necesita de los recursos naturales para subsistir.
Evidentemente, la explotación y dependencia desmesurada de los recursos petrolíferos trae como consecuencia escasez, hasta llegar al agotamiento de los mismos, en este punto y al no existir suficiente previsión y/o sustitutos, se produciría una crisis que afectaría a todo el sistema económico internacional y a sus mercados financieros, y por ende, su derrumbe podría causar una grave crisis social de proporciones imprevisibles.
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Sin lugar a dudas, el petróleo ha contribuido en el desarrollo tecnológico de la actual civilización, aportando descubrimientos con grandes y notables adelantos en todos los ámbitos de su aplicación, en todo tipo de industrias e infraestructuras e incluso en la medicina. Nuestra sociedad y todo el actual modo de vida (sociedad que llamamos moderna y civilizada) se sustenta en el uso intensivo del petróleo en todos los procesos productivos.
De ahí resulta la necesidad de aprovechar al máximo la energía aportada por el combustible, y de esta manera proteger el medio ambiente al evitar quemar el combustible innecesariamente.
Para ello y en el caso analizado por la presente tesis, es necesario optimizar el proceso de funcionamiento del generador de vapor, ya que así, se puede contribuir con el cuidado del ambiente al quemar solo el combustible necesario para la combustión, como se menciono arriba, además de ahorrarle a la empresa una cantidad considerable de recursos.
La gráfica mostrada a continuación en la figura 1.2 confirma lo dicho anteriormente, mostrando un análisis de la producción de energía en los Estados Unidos [12].
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Aún que el petróleo se esté por terminarse, y toda la producción de energía a través de este recurso haya disminuido considerablemente, la siguiente gráfica muestra que aunque la producción energética de los E.E.U.U. tome muchas formas, los combustibles fósiles juntos exceden por mucho al resto de las formas de energía [12].
Fig. 1.3 Producción energética por fuente en Estados Unidos 1949 al 2008 [12].
1.4 CARACTERÍSTICAS DEL COMBUSTÓLEO
El generador de vapor en estudio utiliza como combustible el combustóleo, el cual es un producto de la refinación del petróleo y consiste de los hidrocarburos más pesados. En su composición también entra un material resinoso asfáltico, compuestos de sulfuro, impurezas minerales y agua. La materia resinosa asfáltica de la destilación directa esta en el tipo original. En el craqueo del combustóleo la mayor parte de la resina asfáltica es transformada en materia sólida caracterizada por su alto contenido de azufre –asfáltico y carburos [13].
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1.4.1 El combustóleo mexicano
El combustóleo mexicano se caracteriza por su alta viscosidad y elevados contenidos de azufre y vanadio. Esta particularidad determina una problemática característica en los generadores de vapor que utilizan este combustible. Particularmente, se han identificado problemas relacionados con los procesos de combustión, de corrosión de materiales utilizados en zonas de alta y baja temperatura, de contaminación por emisión de gases y partículas suspendidas, al igual que alteraciones del patrón de flujo térmico en los generadores de vapor entre otros. Nuestro país produce tres tipos de petróleo crudo: Olmeca, Istmo y Maya. La diferencia entre estos crudos estriba en su densidad y el contenido de azufre. El crudo Olmeca y el Istmo están clasificados como súper ligero y ligero, respectivamente; mientras que el crudo Maya está clasificado como un crudo pesado, con una densidad de 1.0 a 0.92 g/cm3 y además un contenido mínimo de azufre de 3.3 %. Con el propósito de incorporar un mayor valor agregado al crudo Maya, PEMEX ha buscado alternativas de procesamiento a este producto. Una de estas alternativas es la de procesar el crudo Maya en la planta despuntadora del complejo petroquímico la Cangrejera, Veracruz, con capacidad de producción de 200 mil barriles por día y producir un crudo parcialmente procesado (crudo Maya despuntado). Este producto se propone como un combustible alterno para ser suministrado a los usuarios que tradicionalmente han utilizado combustóleo en sus generadores de vapor [13].
El combustóleo producido en nuestro país está constituido por carbón (84 a 87 %), hidrógeno (10 a 14 %), oxígeno y nitrógeno (2.6 %), azufre (2.5 a 4 %) y pequeñas cantidades de vanadio, níquel y sodio [14].
La tabla mostrada a continuación, muestra la composición química del combustóleo utilizado en la P.T.E Villa de Reyes, que además es el mismo que utiliza el generador de vapor en cuestión.
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Tabla 1.1 Composición del combustóleo utilizado en la P.T.E. Villa de Reyes [5].
Especificaciones del Combustóleo
Carbón C 83.64 % en peso Hidrógeno H 11.3 % en peso
Azufre S 4.2 % en peso Nitrógeno + Oxígeno N+O 0.86 % en peso
Cenizas 0.06 % en peso Vanadio Va 300 ppm Sodio Na 40 ppm Níquel 25 ppm Acero 10 ppm Potasio 5 ppm Densidad especifica a 20 / 4°C 0.987
1.4.2 Combustión de combustibles fósiles
La combustión es una reacción química durante la cual se oxida un combustible y una gran cantidad de energía se lanza. Para que se pueda dar la combustión, se necesita contar con una flama, combustible y aire de combustión, que es el aire seco que se puede aproximar como el 21 por ciento de oxígeno y 79 por ciento de nitrógeno por números del topo. Por lo tanto, cada topo del oxígeno que incorpora a la cámara de combustión será acompañada por 0.79/0.21 = 3.76 mol de nitrógeno. Para suministrar un topo de oxígeno a un proceso de la combustión, 4.76 mol de aire de combustión se requieren [15].
Se define como eficiencia de combustión al cociente de la cantidad de calor lanzado durante la combustión al valor calorífico del combustible quemado [15].
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Actualmente entre todas las diferentes fuentes de energía para satisfacer las necesidades de una economía nacional del país, el papel principal pertenece al combustible. Los combustibles poseen una energía potencial interna, los cuales son usados por razones económicas para la producción de calor. El combustible es la base de la energética.
1.5 CONDICIONES METEOROLÓGICAS EN LA PLANTA TERMOELÉCTRICA “VILLA DE REYES”, SAN LUIS POTOSÍ
Medio Físico y Geográfico
La ciudad de Villa de Reyes cuenta con una superficie de 1,122 km2, que representan el 1,79% con respecto al estado de San Luis potosí, se localiza entre los 21040' a 22000' de latitud norte, y 100048' a 101013' de longitud oeste [16].
Altitud
La ciudad cuenta con una altitud de 1815 metros sobre el nivel del mar [16].
Velocidad del viento
La velocidad promedio anual del viento en la ciudad de Villa de Reyes, según datos del sistema meteorológico es de 8.3 m/s [17].
Presión atmosférica
En el capitulo tres del presente trabajo, se realizó el cálculo de la presión atmosférica a la cual se encuentra sometida la ciudad de Villa de Reyes, San Luis Potosí, dicho resultado nos indica que la cuidad se encuentra a 80.75 kPa. de presión.
Clima
La temperatura media anual es de 19.50 centígrados, con una máxima de 350C y una mínima absoluta de 30C. El clima se clasifica como seco estepario caliente la
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temperatura cálida se extiende de abril a septiembre y el periodo frio de octubre a marzo; las heladas se presentan entre noviembre y febrero, aunque con mayor frecuencia en diciembre y enero. [16]
La siguiente tabla presenta datos de las temperaturas promedio registradas en la ciudad de Villa de Reyes, San Luis Potosí.
Tabla 1.2. Temperaturas promedio registradas en la ciudad de Villa de Reyes, San Luis Potosí [18].
Villa de
Reyes E F M A M J J A S O N D Anual
Temp. 14.4 16.0 18.9 21.6 23.1 22.8 21.9 21.6 20 18.8 16.3 15.1 19.5
1.6 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica considera varias formas de energía, tales como el calor Q, trabajo W y la energía total E individualmente, y no hace ninguna tentativa de relacionarlas durante un proceso. La primera ley de la termodinámica, también conocida como el principio de conservación de energía, proporciona una base sólida para estudiar las relaciones entre las varias formas de energía y de interacciones de la misma. De acuerdo con observaciones experimentales, la primera ley de la termodinámica indica que la energía no se puede ni crear ni destruir durante un proceso; puede cambiar solamente de forma. Por lo tanto, cada pedazo de la energía se debe explicar durante un proceso [15].
La ecuación de la Primera Ley aplicada a un volumen de control en estado estacionario es:
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Donde ̇ es el flujo másico, ̇ el calor transferido, ̇ el trabajo intercambiado, h son las entalpías, e son entradas y s salidas.
Aunque la Primera Ley puede determinar los requerimientos de transferencia de energía en la forma de calor y trabajo útil en un proceso, por cambios específicos de las corrientes, no puede dar información para determinar si la energía es usada de forma eficiente durante el proceso [19].
Así también puede afirmarse que es imposible construir un dispositivo que viole la primera o la segunda ley de la termodinámica se denomina máquina de movimiento perpetuo. [20]
1.6.1 Balance térmico del generador de vapor
El balance térmico de un generador de vapor se caracteriza por la igualdad entre las cantidades de calor suministrado y gastado: Qsum = Qgast. De una manera habitual el balance térmico de un generador de vapor se compone respecto a una unidad de masa del combustible quemado, es decir, 1 kg de combustible sólido o líquido o bien 1m3 de gas que se toman a condiciones normales: 0 °C, 101.3 KPa.
La cantidad total de calor introducida en el grupo de calderas se llama calor disponible Qdisp que es la parte de ingreso del balance térmico. Y se define como la energía que entra con el combustóleo, con el aire y con los gases de recirculación.
Una parte del calor disponible que según las condiciones del proceso no puede usarse, constituye las pérdidas de calor (Q2, Q3,……Qi, ……, Q6) .
Donde las pérdidas antes mencionadas son las siguientes: las pérdidas son las pérdidas de calor junto con los gases que salen de la chimenea; , las pérdidas de calor debidas a la combustión química incompleta; , las pérdidas de calor
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causadas por la combustión imperfecta mecánica; , las pérdidas de calor por convección; , las pérdidas en forma de calor físico con escoria.
La eficiencia bruta del generador de vapor es la parte de calor aprovechada por la caldera (transmitida al agua y vapor), y esta eficiencia no toma en cuenta los gastos de energía para las necesidades propias. Para calcularla se deben conocer los valores del Qdisp, el calor útil absorbido por el generador de vapor Qgv, y el
gasto del combustible B.
La cantidad total de calor útil que absorbe el generador de vapor se calcula tomando en cuenta los caudales de vapor primario, vapor secundario y de purga respectivamente en kg/s; las entalpías de vapor sobrecalentado y agua de alimentación, kJ/kg; la entalpía de agua en el domo, kJ/kg; y entalpías del vapor secundario en entrada y en salida del recalentador respectivamente, kJ/kg [20].
La figura presentada a continuación, muestra un balance energético de un Generador de Vapor, señalando las diferentes forma de energías de entrada y salida del generador en cuestión:
Fig. 1.4 Diagrama de balance de energía de un Generador de Vapor, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica.
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1.7 EFICIENCIA TÉRMICA DE UN GENERADOR DE VAPOR
En México alrededor del 68% de la energía proviene de las centrales termoeléctricas. Estas centrales generan energía partiendo de un combustible fósil [21]. Los combustibles fósiles son un recurso no renovable y su existencia algún día terminará. Por esa razón es importante aumentar la eficiencia térmica de los equipos que utilizan combustibles fósiles.
Ya sea que consideremos la destrucción de bosques para suministrar madera a las personas del mundo en desarrollo, o la contaminación atmosférica que acompaña la generación de electricidad en plantas que usan hidrocarburos como combustible, los problemas ambientales crecen a medida que las necesidades de energía aumentan [21].
La eficiencia térmica de una caldera se define como la razón entre el calor absorbido por el agua de alimentación al convertirse en vapor en la caldera, y la energía total del combustible suministrado. Es decir, la eficiencia térmica es una medida del aprovechamiento del combustible por la caldera al generar una determinada cantidad de calor. No es económicamente factible la fabricación de una caldera que funcione con muy pocas pérdidas de calor o sin ellas y, por consiguiente, la eficiencia de una caldera siempre es menor de 100%. No obstante, algunas de las pérdidas de calor pueden reducirse al mínimo o eliminarse mediante prácticas apropiadas de operación y mantenimiento [6].
La eficiencia de las calderas de vapor de alta capacidad es muy alta, se encuentra en un rango de 88 a 94 por ciento [22].
CAPÍTULO 2
METODOLOGÍA DE CÁLCULO
DE LA EFICIENCIA TÉRMICA
En este capítulo se presenta la metodología del
cálculo de la eficiencia térmica para un generador
de vapor de 350 MW que quema combustóleo, las
ecuaciones para el cálculo de los productos de la
combustión, para las pérdidas de calor generadas
durante el proceso de operación del generador de
vapor y por último el procedimiento de cálculo
para la eficiencia térmica.
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2.1 METODOLOGÍA DE CÁLCULO DE EFICIENCIA TÉRMICA PARA UN GENERADOR DE VAPOR
En este capítulo se presenta el desarrollo del procedimiento del cálculo de la eficiencia térmica de un generador de vapor de 350 MW quemando combustóleo, trabajando a diferentes cargas parciales y condiciones atmosféricas.
Existen dos métodos para el cálculo de la eficiencia térmica para un generador de vapor, los cuales son: el método directo y el método indirecto o de las pérdidas. Matemáticamente ambos métodos son equivalentes y podrían dar idénticos resultados si los factores requeridos en el balance térmico (o pérdidas de calor) considerados fueran generados por mediciones realizadas sin error en un generador de vapor.
Cuando se utilizan instrumentos de alta precisión y altas técnicas de prueba se pueden obtener resultados acordes entre ambos procedimientos de cálculo. Sin embargo, lo más común en la práctica es que las pruebas a calderas se realicen con limitaciones en la instrumentación y las comparaciones entre ambos métodos generalmente no son congruentes.
Esta diferencia de resultados se debe principalmente a las incertidumbres de las mediciones en los flujos y contenidos de energía de corrientes entrantes y salientes [1].
2.2 MÉTODO DIRECTO DE CÁLCULO DE EFICIENCIA TÉRMICA
Esta metodología consta de una serie de cálculos partiendo de la ecuación de eficiencia térmica. Esta ecuación depende principalmente de tres variables: el calor útil de la caldera, el calor disponible en la caldera y el consumo de combustible.
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Matemáticamente la eficiencia térmica se representa por la siguiente ecuación:
, % (2.1)
Donde:
Es el calor útil del generador de vapor
Es el calor disponible del generador de vapor
Es el consumo de combustible del generador de vapor
Este método requiere de una medición exacta del flujo de combustible a la entrada así como de datos precisos de la presión, temperatura, calidad y flujo de vapor, temperatura del agua de alimentación, temperatura de los gases de la chimenea y temperatura del aire, y otros parámetros más, para poder realizar los cálculos completos y precisos del balance térmico.
Debido al gran número de mediciones requeridas en una caldera y al alto grado de incertidumbre por errores de medición, el método directo de cálculo de eficiencia térmica no es práctico en las mediciones de campo que se realizan en la mayoría de las calderas industriales [1].
2.3 MÉTODO DE CÁLCULO INDIRECTO O DE LAS PÉRDIDAS
El método indirecto o de las pérdidas de calor resta las pérdidas individuales unitarias de energía del 100% para obtener el porcentaje de eficiencia.
La ecuación principal para el cálculo de la eficiencia térmica del generador de vapor de 350MW que quema combustóleo se calcula considerando el método indirecto es de la forma:
2 3 4 5
100 % q q q q
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Las pérdidas de calor mencionadas se enlistan a continuación:
Pérdida de calor con los gases de escape,
Pérdida de calor por combustión química incompleta, Pérdida por combustión mecánica incompleta,
Pérdida de calor por convección,
Además de ser el más preciso en campo, el método de las pérdidas de calor, identifica exactamente donde se producen, contribuyendo así a hacer más efectivos los esfuerzos de ahorro de energía.
Este método puede designarse como el de análisis de productos de combustión ya que las principales pérdidas térmicas consideradas están basadas en la medición de las condiciones de los gases de combustión a la salida de la caldera desde luego en el análisis de la composición del combustible.
2.4 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO DE LA EFICIENCIA TÉRMICA PARA UN GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW QUE QUEMA COMBUSTÓLEO
Para el cálculo de la eficiencia térmica del presente trabajo, se tomó en cuenta el método indirecto o de las pérdidas ya que, para las calderas que usan combustibles líquidos y gaseosos y que tienen una eficiencia superior de 80%, el método indirecto provee mayor precisión mientras mayor sea la eficiencia [23].
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2.4.1 Cálculo de los productos de la combustión
Los componentes de los combustibles intervienen en una reacción química con el oxígeno en una relación definida.
El flujo másico de oxígeno y la cantidad de los productos de la combustión generados son establecidos de las ecuaciones estequiométricas de combustión tomando 1 mol de cada uno de los componentes del combustible.
Si nos referimos a estas ecuaciones para 1 kg. de combustible y expresamos las cantidades de combustible gaseoso en unidades volumétricas, reducidas a las condiciones normales (presión de 760 mm Hg, y temperatura de 0 °C). Como resultado se obtienen las siguientes relaciones:
Para el carbono: C + O2 = CO2; 12.01 kg C + 32 kg O2 = 44.01 kg CO2; 1 kg C + 1.866 m3 O2 = 1.86 m3 CO2. (1) Para el azufre: S + O2 = SO2; 32.06 kg S + 32 kg de O2 = 64.06 kg SO2; 1 kg S + 0.7 m3 O2 = 0.7 m3 SO2. (2) Para el hidrógeno: 2H2 + O2 = 2H2O; 4.032 kg H2+ 32 kg O2 = 36.032 kg H2O; 1 kg H2 + 5.55 m3 O2 = 11.1 m3 H2O. (3)
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Las relaciones estequiométricas en las ecuaciones de combustión para combustibles gaseosos e hidrocarburos son las que se presentan a continuación:
2CO + O2 = 2CO2;
2 mol + 1 mol = 2 mol;
2 m3 + 1 m3 ~ 2 m3 (4)
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O; 1 mol + 2 mol = 1 mol + 2 mol;
1 m3 + 2 m3 ~ 1 m3 + 2 m3 (5)
Generalmente para hidrocarburos es posible escribir que:
CmHn + (m + n/4) O2 = mCO2 + (n/2) H2O; (m + n/4) mol = m mol + (n/2) mol;
(m + n/4) m3 ~ m m3 + (n/2) m3. (6)
Resumiendo, el valor total del oxígeno, que es necesario para la combustión de 1 kg de combustible, y restando la cantidad de oxígeno contenido en el combustible. La cantidad teórica necesaria de oxígeno para la combustión de 1 kg. de combustible líquido o sólido, será obtenido como:
(2.3)
El aire contiene aproximadamente 21% de oxígeno (en volumen). Por lo consiguiente, la cantidad teórica de aire que es necesario para la combustión completa de 1 kg. de combustible, si todo el oxígeno reacciona con el combustible será
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(2.4)
En seguida se presenta el concepto de volumen teórico de los productos de la combustión ( ), con el propósito de tener las fórmulas para los cálculos.
Es el volumen de los gases hacia la chimenea, y puede ser la
combustión completa en la cantidad teórica de aire. En este caso:
(2.5)
El oxígeno no usado, no está presente en el volumen teórico de los productos de la combustión. Los volúmenes de gases y no dependen del coeficiente de exceso de aire. El volumen de los gases triatómicos los podemos hallar:
.
De las relaciones estequiométricas (1) y (2) se puede observar que, cuando se quema 1 mol de carbono se forma 1 mol de dióxido de carbono.
Para el cálculo de los volúmenes de los gases es necesario considerar la densidad de los mismos, en la siguiente tabla se pueden apreciar los diferentes gases de combustión sus respectivas densidades:
Tabla 2.1. Densidad de los gases en condiciones normales de referencia [26].
GASES DENSIDAD 1.97 kg/m3 0.80 kg/m3 0.09 kg/m3 1.25 kg/m3 1.25 kg/m3
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La densidad de los compuestos de CO2es 1.977 kg/m3, el volumen de 1 mol de
CO2 en condiciones normales (presión de 760 mm Hg, y temperatura 0 °C) es igual a 22.26 m3.
Entonces:
(2.6)
Es similar, si la densidad de un compuesto de dióxido de azufre es 2.927 kg/m3, y el volumen de 1 mol de SO2 en condiciones normales (presión de 760 mm Hg, y
temperatura de 0 °C) es 21.89 m3, se puede obtener:
(2.7)
Entonces:
(2.8)
El volumen teórico de nitrógeno incluye: el volumen de nitrógeno, el cual entró al horno con el volumen teórico de aire y es 0.79 , y el volumen de nitrógeno contenido en el combustible. Este componente es igual a 0.8 / 100, donde 0.8 es el volumen especifico de nitrógeno, m3/kg. Entonces:
(2.9)
El volumen teórico de los gases secos será:
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Cuando se quema el combustible, se forma vapor debido a la combustión del hidrógeno y evaporación de la humedad del combustible. Además, en los productos de la combustión se transfiere vapor, hacia el hogar con la humedad del aire. La cantidad teórica en peso del par de los productos de la combustión será:
(2.11)
En la ecuación anterior las cantidades:
Representan la cantidad de vapor de agua formado del
hidrógeno del combustible y está definido de las relaciones estequiométricas.
Es la humedad evaporada del combustible, la cual se ha transferido en
los productos de la combustión.
0.013 Es el vapor contenido en el aire.
Entonces el volumen teórico del vapor será:
(2.12)
El valor de la densidad del vapor puede ser estimado dividiendo el peso molecular del agua sobre el volumen de 1 mol de vapor en condiciones normal.
=18.016/22.4=0.804 kg/m3. Así: (2.13)
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El coeficiente de exceso de aire es variable en los ductos de la caldera. En la mayoría de las construcciones difundidas de calderas, los ductos de gas trabajan mediante pequeños vacíos. En este caso la prevención de fugas por el paso de los gases calientes en las grietas de los ductos de gas curvos se ha presentado. Como resultado, a través de las grietas en el metal de la caldera, a través de las mirillas y lugares de inspección sucede una succión de aire en los ductos de gas. Este aire incrementa el volumen de los productos de la combustión que pasan a través de los ductos de gas. Para cada parte de volumen de los gases hacia la chimenea está definido por la ecuación:
(2.14)
En la ecuación anterior, los volúmenes reales de vapor para α > 1 está dado por la ecuación:
α (2.15)
Es necesario calcular la entalpía del aire y los productos de la combustión a una temperatura dada.
Los cálculos son a base de las tablas termodinámicas para 1m3 de gases triatómicos, volumen teórico de nitrógeno, volumen teórico de vapores y volumen teórico de aire a una temperatura de 1000 °C.
Para realizar el cálculo de la entalpía del volumen teórico de aire a una temperatura de 1000 °C se aplica la siguiente fórmula.
(2.16)
Cálculo de la entalpía de los gases triatómicos
(2.17) (2.18)
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Cálculo de la entalpía de los gases diatómicos
(2.19)
Cálculo de la entalpía del vapor
(2.20)
Cálculo de la entalpía del volumen teórico de los productos de la combustión a una temperatura de 1000 °C. Con la suma de las entalpías de los gases se tiene:
(2.21)
Para realizar el cálculo de la entalpía de la cantidad de exceso de aire a una temperatura de 1000 °C se aplica la siguiente fórmula.
(2.22)
Para obtener el valor que toma la entalpía del aire, es necesario aplicar la siguiente ecuación:
(2.23)
La entalpía de los gases de combustión para 1 kg o 1 m3 de combustible es: , J/kg (kJ/m3) (2.24)
2.4.2 Pérdida de calor con los gases de escape,
Para el cálculo de la pérdida de calor con los gases de escape es necesario conocer el valor del poder calorífico del combustible, que representa la cantidad de calor generado al quemar una unidad de masa del material considerado como combustible. El poder calorífico está relacionado con la naturaleza del combustible.
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Existen dos clases de poder calorífico: el Poder Calorífico Inferior (PCI) y el Poder Calorífico Superior (PCS). A continuación de da una breve explicación de la diferencia de los dos poderes caloríficos antes mencionados:
PCS: Es la cantidad de calor desprendida en la combustión de 1 kg de
combustible cuando se incluye el calor de condensación del agua que se desprende en la combustión [24].
PCI: Es el calor desprendido en la combustión de 1 kg de combustible cuando el
vapor de agua originado en la combustión no condensa [24].
Para el análisis energético del generador de vapor en cuestión se tomara en cuenta el valor del Poder Calorífico Inferior, ya que el vapor de agua originado en la combustión no condensa.
El cálculo del poder calorífico superior considera una composición química del combustóleo de 83.64% de C; 4.2% de S; 0.37% de N; 11.30% de H; 0.49% de O (en por ciento de masa) y se calcula aplicando la siguiente ecuación:
, kJ/kg (2.25) El calor de una fuente externa que precalienta el aire frío (Qaire.ext|) se calcula con
la ecuación:
, kJ/kg (2.26)
El calor físico suministrado al combustible líquido (Qcomb) se calcula con la ecuación:
, kJ/kg (2.27)
El calor específico del combustible (ccomb) se define por:
