UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
TESIS
PRESENTADO POR EL BACHILLER:
CRISTIAN NEWTON HUAMANCAYO INGA
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO
HUANCAYO – PERÚ 2017
ANALISIS DE UN CALDERO
PIROTUBULAR DE 300 BHP, USANDO
COMBUSTIBLES DIESEL Y GLP, PARA
MEJORAR LA EFICIENCIA, EN LA
EMPRESA AGROMANTARO S.A.C.
ii ASESOR
Ing. Mg. Raúl Jorge Mayco Chávez
iii
AGRADECIMIENTO
El presente trabajo de tesis primeramente me gustaría agradecerte a ti Dios por bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste realidad este sueño anhelado. También agradezco a mis padres que han dado todo el esfuerzo para que yo ahora este culminando esta etapa de mi vida y darles las gracias por apoyarme en todos los momentos difíciles de mi vida, ellos siempre han estado junto a mí, así como también a mis hermanos por su confianza y consejos. A la Universidad Nacional del Centro del Perú por darme la oportunidad de estudiar y ser un profesional. A mi Asesor de tesis, Ing. Mg. Raúl Mayco Chávez, quien con sus conocimientos, su experiencia, ha logrado en mí la culminación de esta tesis.
También me gustaría agradecer a los docentes de mi facultad quienes aportaron en la formación de mi carrera profesional. Son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional a los que me encantaría agradecerles su amistad, consejos, apoyo, ánimo y compañía en los momentos más difíciles de mi vida, para todos ellos les doy las gracias y les deseo muchas bendiciones.
iv
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a mis padres Julio y Lucy quienes fueron un gran apoyo emocional durante mi vida y el tiempo en que escribía esta tesis.
A mis hermanos y familiares quienes me aconsejaron y apoyaron en todo momento.
A mi esposa Janet quien me apoyo y alentó para continuar, así como también a mi hijita quien es la inspiración de mi vida.
A mis maestros quienes nunca desistieron al enseñarme y que depositando su esperanza en mí y en cada uno de mis compañeros.
A los sinodales quienes estudiaron mi tesis y la aprobaron.
Para ellos es esta dedicatoria de tesis, pues es a ellos a quienes se las debo por su apoyo incondicional.
v RESUMEN
El presente trabajo de Tesis tuvo como objetivo realizar un análisis de la utilización de Combustibles diésel, así como el GLP para observar su eficiencia.
Se pudo Observar que al comparar utilizando el combustible diésel, comparado con GLP, la eficiencia en el GLP fue mayor además que de los daños que ocasionan la utilización del uso de combustible diésel en el funcionamiento de nuestra caldera sino en las diferentes industrias a nivel nacional.
Los cuadros que mostramos nos reflejan y confirman realidades que se tenían conocimiento, pero con cifras exactas y datos reales. La eficiencia de la caldera desde un punto térmico notamos que los valores obtenidos son completamente diferentes usando los combustibles materia de análisis. Como se muestran en los cuadros la composición de sus características y propiedades difieren en porcentajes y/o composición, de ahí los resultados que se obtienen son completamente diferentes.
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Estos valores y resultados nos alertan a buscar otros tipos de combustible alternativos que no sean muy perjudiciales ni dañinos al medio ambiente ni a los seres vivos, específicamente tener más cuidado con las personas que al ingerir estos gases emanados por estos equipos térmicos se están contaminando silenciosamente.
Palabras claves: Eficiencia, Combustible Diésel, GLP
vii ABSTRAC
His thesis work was to carry out an analysis of the use of diesel fuels and GLP to observe its efficiency.
It was observed that when comparing using diesel fuel, compared to GLP, efficiency in LPG was higher in addition to the damage caused use of the use of diesel fuel in the operation of our boiler but in different industries nationwide.
The tables show us and confirm reflect realities that had knowledge but no exact figures and actual data. The boiler efficiency
from a thermal point we note that the values obtained are completely different matter using fuel analysis. As shown in Tables composition characteristics and properties differ in percentages and / or composition, hence the results obtained are completely different.
These values and results alert us to seek other types of alternative fuel are not very harmful or harmful to the environment or living things, specifically to be more careful
viii
with people ingesting these gases emanating from these thermal systems are contaminating quietly.
Keywords: Efficiency Diesel Fuel, GLP.
ix
INDICE GENERAL
Página
Asesor ii
Agradecimiento iii
Dedicatoria iv
Resumen v
Abstrac vii
Índice general ix
Índice de figuras o ilustraciones xii
Índice de cuadros o tablas xiii
Introducción xiv
CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 17
x
1.2.1 Problema general 17
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 17
1.3.1 Objetivo general 17
1.3.2 Objetivos específicos 18
1.4 JUSTIFICACIÓN 18
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 20
2.2 BASES TEÓRICAS 22
2.2.1 Caldera 22
2.2.2 Clasificación de Calderos 23
2.2.3 Partes de la caldera 29
2.2.4 Combustión 34
2.2.5 Combustibles 43
2.3 BASES CONCEPTUALES 48
2.3.1 Caldera 48
2.3.2 Eficiencia 48
2.3.3 Entalpía 48
2.3.4 Rendimiento 49
2.3.5 Métodos de prueba 50
2.4 HIPÓTESIS 51
2.5 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES 51
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
3.1 Método de Investigación 53
3.2 Tipo de Investigación 54
3.3 Nivel de Investigación 54
3.4 Diseño de la Investigación 55
3.5 Población, Muestra o Unidad de Observación 56
3.6 Técnicas E Instrumentos de Recolección de Datos 56
3.6.1 Técnicas de recolección de datos 56
xi
3.6.2 Instrumentos de recolección de datos 57
3.7 Procedimiento de Recolección de Datos 57
CAPÍTULO IV
ANALISIS Y COMPARACION DE EFICIENCIA DE UN CALDERO PIROTUBULAR USANDO COMBUSTIBLE DIESEL Y GLP.
4.1 Datos del Caldero y Equipos 58
4.2 Parámetros del equipo para las pruebas 62
4.2.1 variables a medir 63
4.3 Resultados 64
4.3.1 Determinación de la eficiencia 65
4.3.2 Pérdida por la entalpía de los gases de escape secos, P1 65 4.3.3 Perdida por la entalpía del vapor de agua en los gases, P2 66
4.3.4 Perdida por inquemados gaseosos, P3 67
4.3.5 Pérdida por inquemados sólidos, P4 67
4.3.6 Pérdida por convección, P5 68
4.3.7 Pérdida por radiación, P6 69
4.4 Análisis Experimental en un Prototipo y la Comprobación de Rendimiento
Utilizando como combustibles Diésel y GLP 73
45. Discusión 74
CAPÍTULO V
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
5.1 Presentación de Resultados 78
5.1.1 Gráficos 81
Conclusiones 84
Recomendaciones 86
Bibliografía 88
Anexos 90
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INDICE DE FIGURAS
Figura N° 2.1 Caldera piro tubular de tres pasos 24
Figura N° 2.2 Caldera acuotubular 25
Figura N° 2.3 Circulación natural 27
Figura N° 2.4 Circulación asistida 28
Figura N° 2.5 Circulación forzada 29
Figura N° 2.6 Esquema de un ablandador de agua 31
Figura N° 2.7 Bomba Multietapa para calderos 31
Figura N° 2.8 Gráfico de Procesos de combustión 40
Figura N° 2.9 Tipos de Combustibles 47
Figura N° 4.1 Caldero pirotubular 59
Figura N° 4.2 Tanque de Condensado (recuperación de condensados) 59
Figura N° 4.3 Equipos para Medición 61
Figura N° 4.4 Diagrama de sankey de Eficiencia de Diésel 2 72 Figura N° 4.5 Diagrama de sankey de Eficiencia de GLP 72
xiii
INDICE DE TABLAS
Tabla N° 2.1 Operacionalización de la variable dependiente 51 Tabla N° 2.2 Operacionalización de la variable independiente 52 Tabla N° 3.1 Procedimiento de recolección de datos 57 Tabla N° 4.1 Lista de símbolos utilizados en la NTP 63
Tabla N° 4.2 Datos obtenidos 64
Tabla N° 4.3 Algunos valores típicos de “k” 65
Tabla N°4.4 Los valores típicos de CO2 max 66
Tabla N° 4.5 Los valores de la constante “k1” 67
Tabla N°4.6 Cuadro Comparativo de Eficiencia 71
Tabla N° 5.1 Prueba T 78
Tabla N° 5.2 Prueba de Intervalo de Confianza 79
Tabla N° 5.3 Frecuencias 79
Tabla N° 5.4 Tabla de frecuencia del Diésel 2% 80
Tabla N° 5.5 Tabla de frecuencia de GLP% 80
xiv
INTRODUCCIÓN
La Empresa AGROMANTARO SAC., en su afán de mejorar sus Instalaciones como en este caso, la mejora del caldero que utilizaban como combustible Diésel, éstas se cambiaran a GLP, que mejoro su eficiencia, para lo cual este trabajo se realizó en hacer el estudio de Eficiencia con los dos combustibles, lo cual nos permitió mejorar su uso.
En este estudio se tuvo presente que los combustibles menos dañinos GLP y GN y que su utilización como combustible se debe masificar y obligar tanto a la mediana y pequeña industria, pero esto es tarea de las autoridades que tienen que cambiar y/o modificar las normas y reglamentos vigentes, dando alternativas, plazos y facilidades para que los propietarios de estos equipos hagan la conversión oportuna del combustible, como consideraron las autoridades de la Empresa AGROMANTARO.
Esta investigación se encuentra dividido en cinco capítulos tales como:
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Capítulo I, se plantea y justifica el trabajo, la forma de abordarlo, además se plantea el problema genera a manejar en la investigación.
Capítulo II, brinda información teórica y pertinente acerca de los conceptos, principios y leyes que rigen el funcionamiento de los calderos.
Capítulo III, se presentan: la metodología de investigación mencionando el método, tipo, nivel y diseño de investigación además de la población y muestra, las técnicas e instrumentos de recolección de datos y el procedimiento de recolección de datos.
Capítulo IV, engloba el procedimiento del análisis de la eficiencia con sus respectivas perdidas, utilizando combustible diésel y GLP y su utilización.
Capítulo V presenta los resultados de la investigación, de la misma forma se encuentra el análisis estadístico de los resultados, la prueba de hipótesis, discusión e interpretación de resultados.
El Autor
16 CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las calderas, en sus generaciones de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas tanto para uso industrial, semi-industrial o doméstico, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, plantas que realizan calentamiento de fluidos y aire, vaporización, aplicaciones en hospitales, industrias textiles, industria alimenticia, calentamiento de agua para hoteles, piscinas, viviendas, centros de recreación y estéticos (SPA), secadores de hojas, planchas industriales, movimiento de turbinas, etc.
En Sudamérica los países más desarrollados industrialmente como Brasil, Argentina, Colombia se encuentran cantidad de empresas e industrias relacionadas a la elaboración de calderas de excelente calidad, ya que existe un mayor mercado y difusión sobre la utilización y eficacia de los Calderos,
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por nombrar unas tenemos; JIT CALDERAS, Calderas Continental LTDA, teniendo muy en cuenta que estas empresas trabajan bajo normas internacionales y cuentan con el aval de las respectivas certificaciones internacionales razón por las cuales sus costos son elevados.
Nuestro País es gran consumidor de combustibles obtenidos por Hidrocarburos básicamente de Petróleo.
La cantidad que se refina a nivel nacional de combustible de DIESEL- 2 es menor que la cantidad que se consume, por lo tanto, se tiene que importar combustible y es más alto económicamente. Importamos casi el 40 % del consumo total.
En el presente trabajo se hace un análisis comparativo sobre las ventajas en la sustitución del combustible DIESEL-2 por el GLP, para luego mejorar la eficiencia, en la empresa AGROMANTARO S.A.C.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.2.1 Problema general
¿Cómo realizar el análisis del Caldero Pirotubular de 300 BHP, usando combustible Diésel y GLP, que permite mejorar la Eficiencia, en la Empresa AGROMANTARO S.A.C.?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivo general
Realizar un análisis del caldero Pirotubular de 300 BHP, usando combustible Diésel y GLP, para mejorar su eficiencia en la Empresa AGROMANTARO S.A.C.
18 1.3.2 Objetivos específicos
1. Identificar los componentes de los gases de escape de una caldera utilizando dos tipos de combustible.
2. Elaborar un cuadro comparativo de los componentes de los gases de escape con diferentes tipos de combustible.
3. Comparar los porcentajes de los gases de escape con los valores máximos permisibles dictadas por Organismos Internacionales 4. Comparar la eficiencia de la caldera usando los dos tipos de
combustible.
5. Proponer la sustitución del uso de un combustible menos contaminante en la caldera que usa combustible contaminante, reduciendo el impacto al medio ambiente.
1.4 JUSTIFICACIÓN
La justificación de la elección del tema es considerada por la actual situación de muchos problemas sobre la buena salud de los seres vivos, es por el uso indebido de los combustibles derivados del petróleo pero que su uso está sustentado por el costo tan bajo que se encuentra en el mercado, pero éstos ocasionan muchos componentes en sus gases de escape que se encuentran fuera de lo límites máximos permisibles, muy dañinos que ocasionan inclusive enfermedades tan peligrosas como el cáncer.
La combustión de carbón, petróleo y gasolina es el origen de buena parte de los contaminantes atmosféricos. Más de un 80% del dióxido de azufre, un 50% de los óxidos de nitrógeno, y de un 30 a un 40% de las partículas en suspensión emitidos a la atmósfera, en Estados Unidos proceden de las
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centrales eléctricas que queman combustibles fósiles, las calderas industriales y las calefacciones. Un 80% del monóxido de carbono y un 40%
de los óxidos de nitrógeno e hidrocarburos emitidos proceden de la combustión de la gasolina y el gasóleo en los motores delos coches y camiones. Otras importantes fuentes de contaminación son la siderurgia y las acerías, las fundiciones de cinc, plomo y cobre, las incineradoras municipales, las refinerías de petróleo, las fábricas de cemento y las fábricas de ácido nítrico y sulfúrico. Las altas chimeneas de las industrias no reducen la cantidad de contaminantes, simplemente los emiten a mayor altura, reduciendo así su concentración in situ. Estos contaminantes pueden ser transportados a gran distancia y producir sus efectos adversos en áreas muy alejadas de donde tuvo lugar la emisión. El pH o acidez relativa de muchos lagos de agua dulce se ha visto alterado hasta tal punto que han quedado destruidas poblaciones enteras de peces.
20 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
WILMO MARLON VACACELA MIRANDA (2011), Desarrolló la tesis para obtener el título profesional de Ingeniero Mecánico en la Universidad Técnica de Ambato-Ecuador, titulado “ESTUDIO DE PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN EN UN CALDERÍN DE 2 BHP Y SU EFECTO SOBRE LA EFICIENCIA” quien indica que analizar el efecto de incidencia de los parámetros de combustión y su efecto sobre la eficiencia, mediante la variación de los parámetros de combustión, determinar un rango de trabajo óptimo o el más apropiado para el calderín; con respecto a la hipótesis, se plantearon en base a cuan precisos podemos ser en cuanto a la eficiencia del caldero respecto a un modelo operativo o de diseño. La investigación que comprende este trabajo es de nivel experimental y de tipo exploratorio; dentro de la misma se realizaron ensayos experimentales de variación de presión de
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GLP y variación de caudal de alimentación de GLP. Los resultados recopilados se encuentran en tablas, entre las que podemos mencionar, Eficiencia vs. Presión de GLP, Eficiencia vs. Entalpia, Presión de proceso vs.
tiempo, en función de la presión de combustible y la variación de caudal de GLP; Todas estas representadas gráficamente con puntos de dispersión entre todos los parámetros de estudio, a presiones de combustible bajas entre la cuales fueron de 0.4, 0.5 y 1 PSI, las eficiencias son muy similares entre sí, pero al momento que trabaja con 2 PSI esta varia notablemente mostrando una caída aproximada de un 15%, para los 2 casos como fueron el trabajar con un caudal del 100% y del 75%, en cuanto a su desempeño.
SIXTO ANTONIO MELENDEZ GOMEZ (2006). Desarrolló la tesis para obtener el título profesional, titulado “CONVERSIÓN A GAS NATURAL SECO DE UNA CALDERA PIROTUBULAR CON POTENCIA DE 500 BHP QUE TRABAJA CON DIESEL-2. Donde señala que: En el presente trabajo se hace un análisis comparativo sobre las ventajas en la sustitución del combustible DIESEL - 2 por el GAS NATURAL SECO, para luego convertirlo.
Existen dos formas de convertir:
- Cambiando totalmente el quemador por una que trabaja con gas natural seco.
- Instalando por el sistema DUAL donde puede trabajar con cualquiera de los dos combustibles.
La alimentación del GAS se instala en una tubería del quemador, para realizar la mezcla con el aire y luego producir la combustión.
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La idea del proyecto es usar el gas natural seco que se encuentra distribuida por Lima y Callao para poder obtener beneficios económicos y ambientales.
Entre las alternativas energéticas el gas natural es reconocido como una energía con eficiencia, limpieza y precios competitivos.
Es el combustible que menos contamina, encendido rápido y no necesita almacenamiento previo, por lo que proporciona un elevado grado de confort en la Industria.
Existen gastos en los combustibles líquidos, como el Diesel-2, en manejo, preparación, transporte, alta contaminación atmosférica, con respecto al gas Natural.
Entre los cálculos realizados, se demuestra que es una buena alternativa el uso del GAS NATURAL SECO.
2.2 BASES TEÓRICAS 2.2.1 Caldera
La caldera es un aparato térmico construido para generar vapor.
Aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de energía térmica, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
(BARRETO, 2005)
La definición de caldera industrial señala que son dispositivos empleados para calentar agua o generar vapor a una presión muy superior a la atmosférica. (BARRETO, 2005)
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Este vapor se genera a través de la transferencia de calor hacia el fluido, originalmente en fase líquido, se calienta y finalmente se vaporiza; es un recipiente de presión. (BARRETO, 2005)
Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de darle aplicaciones como:
Esterilización: era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" los instrumentos médicos; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas.
Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para mejorar su fluidez.
Generar electricidad a través de un ciclo Rankin. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.
Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado. (WEB) 2.2.2 Clasificación de Calderos
Clasificación de acuerdo a la circulación de los fluidos dentro de los tubos de la caldera.
A. Calderas de tubos de fuego o piro tubulares
En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los
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bancos de tubos. Manejan presiones de operación de 0-20 bares (0- 300 PSIG), (S.A., 2010).
Figura N° 2.1 Caldera piro tubular de tres pasos.
Fuente: (S.A., 2010) Ventajas:
Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño. Mayor
flexibilidad de operación.
Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
Son pequeñas y eficientes.
25 Desventajas:
Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
No se deben usar para altas presiones.
Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de
múltiples pasos.
Calderas pirotubulares de un paso.
Calderas pirotubulares de múltiples pasos.
B. Calderas de agua o acuotubulares
En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos.
Manejan presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG), (THOMASSET, 2011)
Fig. Nº 2.2 Caldera acuotubular Fuente: (Thomasset, 2011)
26 Ventajas:
Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o más.
Desventajas:
Mayor tamaño y peso.
Mayor costo.
Debe ser alimentada con agua de gran pureza.
C. Con relación a la configuración.
Vertical Horizontal
D. Con relación del mecanismo de transmisión de calor dominante.
Convección Radiación
Radiación y Convección
E. Con relación del combustible empleado.
o Combustibles sólidos (carbón mineral, carbón vegetal, lignito, etc.)
o Combustibles líquidos (diésel, Petróleo Residual) o Combustibles gaseosos (GLP, GN)
o Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.) o De recuperación de calor de gases
o Mixtas o Nucleares
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F. De acuerdo a la circulación del agua dentro de la caldera.
Es una clasificación que tiene sentido en las calderas acuotubulares, en las pirotubulares la circulación del agua en el interior es siempre por convección natural.
a) Circulación natural.
La circulación del agua y de la mezcla agua - vapor ocurre naturalmente debido a la diferencia de densidades entre el agua más fría y la mezcla de agua- vapor (efecto sifón).
Implica entonces tener un circuito cerrado por donde circula el agua y una diferencia de altura apreciable entre las partes altas y bajas del equipo, (INGENIERÍA)
Los generadores chicos, los de potencia mediana y una buena parte de los grandes generadores de vapor son de circulación natural.
Fig. Nº 2.3 Circulación natural Fuente: (Ingeniería)
28 b) Circulación asistida.
En este caso la circulación natural en los tubos dela caldera es complementada por bombas instaladas en el circuito.
En este caso también la caldera consiste en un circuito cerrado, pero permite construcciones más compactas incluso con tubos inclinados.
Se utiliza en aquellos casos en que la diferencia entre las densidades del fluido frío y del caliente no es demasiado grande, típicamente para presiones superiores a los 140-160bar.
Brindan una respuesta más rápida ante variaciones en la demanda de vapor que los de circulación natural, pero las bombas trabajan con agua caliente y a altas presiones, son más costosas y requieren importantes mantenimientos.
En general se debe instalar un sistema de respaldo para evitar la parada de toda la caldera por salida de servicio de la bomba, (INGENIERÍA).
Fig. Nº 2.4 - Circulación asistida Fuente - (Ingeniería)
29 c) Circulación forzada.
Este tipo de calderas tiene una concepción distinta, se trata de un circuito abierto y no cerrado.
La bomba impulsa el agua a través de una primera superficie de intercambio donde se precalienta, luego pasa a un segundo intercambiador donde se vaporiza y luego, en algunos casos, pasa a un tercer intercambiador donde se sobrecalienta.
A diferencia de las anteriores no hay una masa de agua circulando sin vaporizarse, la bomba entrega toda el agua que se vaporiza.
No hace falta resaltar la importancia de la bomba en este diseño, un paro dela bomba implica un paro de la caldera, (INGENIERÍA).
Fig. Nº 2.5 - Circulación forzada Fuente - (Ingeniería) 2.2.3. Partes de la Caldera:
Regulador de Presión
Un regulador de Presión es una válvula que controla una característica específica de un sistema. Existen los Reguladores Mecánicos que usan la presión de trabajo en contra de un resorte
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para controlar la presión de entrada o de salida. Los Reguladores con Actuación Eléctrica que requieren para controlar los parámetros de un sistema de un controlador, o de un sensor. (INGENIERIA)
Ablandador de Agua
Para el ablandamiento de aguas, se utilizó “Resinas de intercambio catiónico”, ya que se desean remover los cationes Ca++
y Mg++. ++
La resina inicialmente está cargada de cationes sodio (Na+), y estos serán los iones que pasarán al líquido al mismo tiempo que los cationes Ca++ y Mg++ quedarán retenidos en la resina.
Se eliminó los iones calcio y magnesio (Ca++ y Mg). Una vez que se ha conseguido esto, se obtiene agua blanda (5 ppm). Algunas aguas son naturalmente blandas, en tanto que otras tienen diferentes grados de dureza. Uno de los medios comunes para suavizar el agua es mediante el intercambio iónico.
Este proceso de ablandamiento se realizó en tres pasos: primero se añadió 100 kg de sal industrial en el tanque de salmuera, luego se recirculó durante 15 minutos y por último se enjuagó durante 20 minutos; obteniéndose así agua blanda. (MANUAL DE USO INTERNO DE LA EAP DE INGENIERIA EN ENERGIA)
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Figura N° 2.6. Esquema de un ablandador de agua
Fuente: Manual de uso Interno de la EAP de Ingeniería en Energía
Bomba de Agua
Bomba AURORA PUMP es una bomba centrífuga especial, de múltiples etapas, con la característica de que pueden variar el caudal bombeado, sin disminuir la presión de bombeo, generalmente son de doble o más impulsores o rodetes y reemplazan las empaquetaduras con sellos mecánicos. Ésta turbomáquina está regulada a 53 gl/min y es de una potencia de 15 hp con 1750 rpm.
(MANUAL DE USO DE AURORA PUMP)
Figura N° 2.7 Bomba Multietapa para calderos Fuente: Aurora Pump
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Colector de Vapor
El colector de vapor CV es un equipo diseñado para realizar una óptima distribución de vapor en cualquier línea de proceso.
Está diseñado para una presión máxima de 300 psi, adaptándose a los requerimientos internos de producción y suministro. (Thomasset, 2011)
Sus principales características son:
- Fabricado y diseñado según necesidades de circuito.
- Presiones de diseño: 300 psi.
- Sistema de purga de condensados: Integrado.
- Certificación según directiva europea CE 97/23.
Calentador de Agua
Las calderas son sin duda los sistemas más eficientes para calentar y proveer agua caliente, el cual está regulada para trabajar a una presión de 100 psi, manteniendo una temperatura constante sin importar el uso. La caldera bien equilibrada puede proveer agua caliente para calefacción y para uso directo simultáneamente.
(Thomasset, 2011)
Display
Pantalla utilizada con el Sistema Controlinks. Permite al usuario el crear una curva según la relación del ingreso del aire y el combustible, permitiendo una operación segura y eficiente en todos los puntos a lo largo de la curva de modulación. La relación de aire combustible (kg/kg) es la siguiente: GLP (15.5/1), Diésel (15.2/11).
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La interfaz se puede utilizar en sistemas con uno o dos combustibles.
(Thomasset, 2011)
Tanque Hidroneumático
El tanque que utilizan agua y aire a presión se conocen como tanques hidroneumáticos o tanques de presión, en el que se está utilizando a 15 psi de presión. El aire comprimido se utiliza en estos tanques como un búfer o cojín que permite un aumento libre de proceso de entrega, esto es alimentado con una electrobomba centrífuga de 5 hp controlado por las funciones del tanque hidroneumático que son tres. La primera es como parte de un sistema de entrega de agua fijado para suministrar agua en un intervalo de presión prefijado. El segundo utiliza el ajuste de presión para controlar que una bomba no encienda con demasiada frecuencia. El tercero es para regular o bajar los picos de presión, como un protector contra sobretensiones de energía.
(Thomasset, 2011)
Accesorios de la Instalación
Los accesorios de la caldera son elementos para permitir y/o controlar el buen funcionamiento del equipo, los cuales cada uno de éstos fueron revisados y controlados para que funcionen sin fallas durante el trabajo de investigación.
Cada uno de los accesorios tiene una función específica que cumplir cuando el equipo está en servicio. (Thomasset, 2011)
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Quemador
Antes de la realización de las pruebas se hizo un minucioso mantenimiento al quemador para su buen funcionamiento. El quemador es el principal componente para la combustión del petróleo y del gas natural.
En los generadores industriales de vapor, el quemador hace ingresar combustible y aire a la cámara de combustión de una manera que asegure una combustión segura y eficiente mientras la caldera se encuentra en plena capacidad.
El diseño del quemador determina la mezcla del combustible y del aire, tamaño de las partículas del combustible y su distribución, tamaño y forma de la envoltura de la llama. (Thomasset, 2011) 2.2.4. Combustión.
Definimos la combustión como una reacción química rápida exotérmica en la que se realiza la oxidación de una sustancia y la reducción de otra.
La combustión es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego.
La combustión es una reacción química en la que un elemento combustible se combina con otro comburente (generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso), desprendiendo calor y produciendo un óxido;
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la combustión es una reacción exotérmica que produce: calor al quemar, luz al arder. (WIKIPEDIA)
Para que se produzca la combustión es necesario que estén presentes tres elementos fundamentales:
Comburente: es la sustancia que se reduce. El comburente más habitual es el oxígeno contenido en el aire atmosférico. (IDEA, 2005)
Combustible: la sustancia que se oxida, es decir, el elemento que se quema. Los más habituales son C, H, O y a veces, N y S. (IDEA, 2005)
Temperatura de ignición: debe ser lo suficientemente elevada como para producir el encendido.
Las reacciones químicas deben satisfacer unas condiciones para que tengan lugar en el proceso de combustión:
Adecuada proporción entre combustible y comburente.
La mezcla de las dos sustancias debe ser uniforme.
La temperatura de ignición se establecerá y será monitorizada de manera que el combustible continúe su ignición sin calor externo cuando comience la combustión. (IDEA, 2005)
Las tres funciones más importantes que tiene un hogar desde el punto de vista de la combustión son:
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a) Proveer el espacio necesario para acomodar la llama, sin que ésta toque los tubos. De no evitar esto, se corre el riesgo de la extinción anticipada de los extremos de la llama que entran en contacto con los tubos, ya que estos últimos están a mucha menor temperatura que la llama. Este fenómeno se exterioriza mediante la emisión de humos, producto de una combustión incompleta.
b) Mantener la temperatura de la llama y de los gases lo más alta posible durante el tiempo necesario con la finalidad de que la combustión se complete sin humos o cenizas.
c) Proveer un recinto hermético que evite las fugas de gases o entrada de aire ajeno a la combustión.
Exceso de aire
El exceso de aire se debe a que el tamaño de las partículas del combustible impide una mezcla perfecta entre el combustible y el comburente y a que el tiempo que permanece la mezcla dentro del hogar es muy corto, saliendo por la chimenea una parte de aire que no ha reaccionado. Al introducir mayor comburente, aparecen reacciones secundarias. Esto obliga a emplear una cantidad real de aire comburente mayor del aire mínimo de combustión; por tanto, el exceso de aire es la diferencia entre el aire realmente introducido y el aire mínimo calculado. Se queman las sustancias combustibles del combustible, hasta el máximo grado de oxidación, esto quiere decir que no tendremos sustancias combustibles en los humos.
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Un punto crítico la posible formación de ácido sulfúrico generado por el azufre que contienen los combustibles provoca corrosiones en los conductos y chimeneas cuando se condensa por debajo de 150ºC;
si se producen estos ácidos, tendremos que evacuar los humos a temperaturas superiores por la chimenea, con lo que se producen pérdidas de calor importantes (Pérdidas por el calor sensible de los humos). (IDEA, 2005)
Rendimiento de la combustión
El rendimiento de combustión es la relación entre la fracción de energía realmente liberada en el proceso, y el total teórico disponible, que da una idea del grado de aprovechamiento del combustible, para las condiciones de trabajo dadas.
El factor que tiende a disminuir dicho rendimiento es el escaso tiempo disponible para el proceso, para controlar ese factor se debe aumentar el tiempo o “estadía” de los gases en el hogar, para lo cual se puede aumentar el recorrido de los gases aumentando las dimensiones, o bien, aumentar dicho recorrido sin aumentar las dimensiones físicas del hogar, pero modificando la circulación en forma de flujo helicoidal (hogares ciclónicos).
El hogar de una unidad convencional de carbón pulverizado (relativamente grande), facilita un tiempo de residencia suficiente para que el O2 pueda penetrar en los productos de combustión que se mantienen alrededor de las partículas de carbón y para refrigerar la ceniza a fin de evitar el ensuciamiento del paso de convección. De esta
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forma se pueden utilizar combustibles residuales sin riesgo de emisiones peligrosas ni problemas operativos.
Los diferentes tipos de combustibles implican diferentes porcentajes de exceso de aire para el funcionamiento satisfactorio.
El tipo de combustible no solamente determina la configuración física de los quemadores y el hogar, sino que también determina el flujo de aire requerido, como, por ejemplo:
Carbón y combustibles sólidos en general: 20 a 30% de exceso de aire
Combustibles líquidos: 15%
Combustibles gaseosos: 10 a 15%
Control de la combustión:
Para el control de la combustión es necesaria regular la entrada de combustible para mantener un suministro continuo de vapor a una presión constante, y de regular la entrada de aire a la caldera en proporción correcta a la entrada de combustible. (AENOR, 2003)
Actualmente comienza a haber importantes cambios económicos y de las condiciones de funcionamiento de la industria. Por lo tanto, es rentable introducir sistemas de control de tecnología avanzada para:
Mantener una presión del vapor constante y un caudal acorde con las variaciones de la carga.
Optimizar el consumo de combustible a través de un aumento en el rendimiento.
Reducir las emisiones contaminantes.
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Métodos de control de la combustión.
Control mecánico:
La variable primaria a controlar es la presión de vapor, la cual es medida por un presostato modulante.
Hay una señal que posiciona eléctricamente un motor que acciona directamente la válvula de fuel oíl. El motor acciona a la vez una leva mecánica que mueve el corta tiros de regulación del aire comburente.
Esta leva está diseñada para mantener constante la relación aire combustible a las diferentes marchas de la caldera. (AENOR, 2003) Control neumático directo:
La variable a controlar es la presión del vapor y el sistema mecánico anterior se ha sido sustituido por un sistema neumático.
Tanto este sistema como el anterior funcionan teniendo en cuenta unas condiciones de combustión impuestas, es decir, de una relación aire/combustible prefijadas de antemano.
No todo son ventajas, en nuestra contra aparecen desequilibrios en la combustión prefijada, produciéndose oscuridad de humos e inquemados. (AENOR, 2003)
Control de medida en serie:
La presión de vapor actúa posicionando la válvula de entrada del combustible. El caudal de combustible medido posiciona el corta tiros de regulación del aire comburente a través de una estación manual de relación aire - combustible. Podemos mejorar el sistema introduciéndolas medidas de caudal de combustible y aire comburente,
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que actúan como amortiguamiento del sistema. Al principio actúa sobre el combustible, lo que implica una existencia de un desfase en determinados momentos o prolongados que significa un mayor consumo no justificado. (AENOR, 2003)
Procesos de combustión:
Ecuación de Reacción. Es la expresión cuantitativa de las sustancias que intervienen en una reacción: C + O2 = CO2. (E.
BRIZUELA, 1990)
Fig. N° 2.8 Grafico de Procesos de combustión Fuente: El Autor
Reactivos. Son sustancias que ingresan a la combustión: el combustible y el comburente. (E. BRIZUELA, 1990)
Productos. Son sustancias que resultan del proceso de combustión
Combustión completa. Es la combustión en cuyos productos no se encuentra el monóxido de carbono, por ejemplo, el C se oxida completamente formando CO2; el H hasta H2O.
El proceso de combustión completo sin oxígeno libre en los productos se llama combustión teórica. (E. BRIZUELA)
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Combustión ideal o teórica. Es aquella combustión completa en la que el oxígeno suministrado es el mínimo indispensable.
CXHy + A (O2 + 3,76N2) bCO2 + dH2O + eN2
Los productos de la combustión teórica no contienen metano sin quemar ni C, H2, CO, OH u O2 libre. (E. BRIZUELA)
Combustión incompleta. En los productos de la combustión se encuentran el CO. El C reacciona formando CO y CO2 en proporciones desconocidas, que dependen de la cantidad de O2
utilizado y del procedimiento empleado para mezclar el combustible con el aire. En proceso de combustión con cantidad de aire teórico menor está condenado a ser incompleto. (E. BRIZUELA)
Aire estequiometrico o aire teórico (at). Es la cantidad de aire que proporciona el oxígeno estrictamente necesario para la combustión completa de los elementos oxidables del combustible. (E.
BRIZUELA)
Mezcla estequiometria. Es aquella que contiene las proporciones de aire y combustible mínimos necesarios para la combustión completa. (E. BRIZUELA)
Relación aire-combustible. Es el cociente entre la masa del aire y la masa del combustible utilizado en la combustión, Ra/c. (E.
BRIZUELA)
El aire estequiometrico. El aire tiene por composición volumétrica promedio de 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 1% de otros
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gases, en la práctica se considera 79% de nitrógeno y 21% de oxígeno. En la composición gravimétrica del aire se considera en la práctica 77% de nitrógeno y 23% de oxígeno. (AENOR, 2003)
Combustión ideal con aire. Se considera que el hidrogeno se oxide hasta formar H2O y el C hasta CO2; el S hasta SO2 o SO3. (AENOR, 2003)
Combustión real. La combustión real siempre resulta incompleta ya sea utilizando aire teórico o en exceso y/o defecto, en los productos aparecerá CO, CO2.
CXHy+A(O2+3.76N2) = bCO2+dCO+eH2O+fN2+gO2
Los coeficientes alfanuméricos que aparecen en la ecuación su valor se calcula haciendo el balance respectivo, puede o no salir exceso de oxígeno, dependiendo del aire que ingresa a la cámara de combustión, ya sea en un proceso isobárico o volumétrico, para la caldera en estudio sobre los gases que arrojan a la atmosfera ambiental son el gas licuado de petróleo y el diésel N°2, en donde haremos el balance de combustión mediante el método volumétrico.
Posteriormente haremos las pruebas reales en la caldera y analizar sus gases de escape y obtener resultados que permitan analizar con más detalle y ver el exceso de aire y/o defecto. Para realizar un balance energético de una caldera de vapor es necesario tomar valores reales de los principales parámetros de la misma cuando está funcionando con los dos tipos de combustible. Para esto es
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necesario utilizarla metodología recomendada por las (350.300, 2002) que dice:
"Procedimiento para la determinación de la Eficiencia Térmica de calderas Industriales", presenta dos métodos: método directo y el indirecto.
El método directo involucra el ingreso y la utilización de calor de modo que la eficiencia térmica se calcula mediante: η=(Qa /Qc)x 100 El método indirecto involucra el ingreso y la pérdida de calor, de modo que la eficiencia térmica se calcula por: η = (1-Qp/ Qc) x 100 El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores de combustión absorbido y perdido respectivamente.
El calor absorbido por el fluido de trabajo. Qa = mw(hs-he), el calor perdido es igual a la suma del calor residual contenido en los gases de combustión y el calor que se transfiere al ambiente a través de las paredes de la caldera. (AENOR, 2003)
2.2.5. Combustibles
Combustible es toda sustancia capaz de arder, es decir, aquella capaz de combinarse con el oxígeno en una reacción exotérmica.
Las características más importantes de los combustibles son:
Poder Calorífico: Es la energía por unidad de masa del combustible que se libera en una combustión completa y perfecta, es también la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.
(WIKIPEDIA)
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Poder Calorífico Superior (PCS): Tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua generada en la combustión. (UTU)
Poder Calorífico Inferior (PCI): No tiene en cuenta el calor latente de vaporización del agua formada en la combustión. (UTU)
Poder Comburívoro: Es la masa de aire necesaria para realizar la combustión estequiométrica de 1 Kg. de combustible. (UTU)
Poder Comburívoro es la cantidad estequiometria de aire seco necesario para la combustión completa de una unidad de masa o volumen de combustible, referida a las condiciones normalizadas, medido en Nm³/kg o Nm³/Nm³, según se trate de combustible líquido o sólido o bien gaseoso, respectivamente. (UTU)
Poder Fumígeno: Es la masa de humos secos producidos en la combustión de 1 Kg. de combustible.
Poder Fumígeno es la cantidad de gases resultante de la combustión con aire estequiométrico de una unidad de masa o volumen de combustible, referida a las condiciones normalizadas, medido en Nm³/kg o Nm³/Nm³, según se trate de combustible líquido o sólido o bien gaseoso, respectivamente. (UTU)
Límites de Inflamabilidad (Inferior / Superior) (Li / Ls): Es el valor mínimo /máximo del porcentaje de combustible que debe estar presente en la mezcla para que se produzca la combustión.
(MIRANDA BARRERAS)
Temperatura de combustión: Es la temperatura, superior a la de inflamación, a la que se produce la combustión de los vapores de un
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combustible durante 5 o más segundos cuando se pone en contacto con una llama. (SALVI, G.)
TIPOS DE COMBUSTIBLES
Según el estado de la materia en que se encuentran:
Combustibles Líquidos
Dentro de este tipo de combustibles, los más utilizados en la industria son aquellos derivados del petróleo. Del petróleo se obtienen los siguientes hidrocarburos, usados en la industria:
Gasoil: Pertenecen a esta categoría de destilados puros, compuestos por una gama de hidrocarburos cuyo número de átomos de Carbono está comprendido entre 14 y 20. Su temperatura de ebullición oscila entre 220-390º C. Su punto de inflamación es 55º C, posee un poder calorífico inferior igual a 10200 Kcal/Kg.
Fuel Oil: Son los residuos pesados de la destilación del petróleo y forma hidrocarburos entre 25 y 35 átomos de Carbono. Su punto de inflamación es 65º C, posee un poder calorífico inferior igual a 9800 Kcal/Kg. Las propiedades más importantes de los combustibles líquidos son:
1. Viscosidad: Resistencia de un fluido a fluir (Sirve para determinar la pérdida de carga y las condiciones de pulverización).
2. Fluidez Crítica: Temperatura a la cual el fluido deja de fluir.
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3. Inflamabilidad: El Punto de Llama es la temperatura a la cual el combustible produce suficiente cantidad de vapores para que la mezcla de éstos con el aire sea capaz de inflamarse al contacto con una llama piloto. Si la combustión se produce en forma espontánea, sin llama piloto, la temperatura a la cual se produjo se denomina Punto de Inflamación del combustible. Por esta razón, no debe almacenarse un combustible a temperaturas superiores a su Punto de Inflamación.
4. Contenido de Azufre: En una combustión, el Azufre genera Dióxido de Azufre en combinación con el Oxígeno del aire. Si el tiro no funciona correctamente puede condensar el vapor de agua generado en la combustión y éste en combinación con el Dióxido de Azufre dan como resultado Ácido Sulfúrico.
5. Contenido de Agua: El contenido de Agua en un combustible disminuye su poder calorífico; razón por la cual la misma debe eliminarse o bien minimizarse.
Combustibles Gaseosos
Dentro de este tipo de combustibles, los más usados industrialmente son lo siguiente con sus características para las pruebas correspondientes:
Gas Natural: Mezcla de hidrocarburos ligeros, formado principalmente por metano. Posee gran rendimiento, es de fácil manejo, su poder calorífico superior es igual a 9300 Kcal/m3. Cuya composición es el siguiente:
47 – Metano: 70 - 90%
– Etano, Propano y Butano: 0 - 20%.
Gas Licuado de Petróleo (GLP): Compuesto por butano y propano.
Se obtiene en las operaciones de refino del petróleo. Se licua a baja temperatura y alta presión para almacenarlos (Ocupan un volumen reducido en estado líquido, aumentando el mismo aproximadamente 300 veces a temperatura ambiente y presión atmosférica). Su poder calorífico inferior es igual a 10950 Kcal/Kg. Cuya composición es el siguiente:
Propano 60%
Butano 40%
Etil-mercaptano (odorizante) 0.0017 – 0.0028 %.
Los distintos tipos de combustibles se clasifican en el siguiente cuadro:
Figura N° 2.9 Tipos de Combustibles Fuente – (MAVAINSA)
48 2.3 BASES CONCEPTUALES
2.3.1 Caldera.
Aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de energía térmica, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
(CARL D. SHIELD, 1999) 2.3.2 Eficiencia.
Bardhan (1995) y Albi (1992) señalan que eficiencia es la capacidad de obtener objetivos por medio de una relación deseable entre inputs y outputs o, en otros términos, de existencia de máxima productividad de los inputs empleados y/o de mínimo coste de obtención del producto.
2.3.3 Entalpía
El término entalpía es un término que se utiliza normalmente en el ámbito de la ciencia física y que sirve para designar a aquel fenómeno mediante el cual la magnitud termodinámica de un cuerpo o elemento es igual a la suma que resulta de su propia energía interna más el resultado de su volumen por la presión exterior. Esta fórmula es una fórmula muy común de la física y de la termodinámica que permite conocer información sobre la reacción de diferentes elementos y fuerzas naturales en diferentes condiciones. La palabra entalpía proviene del término griego enthalpos que significa calentar.
La entalpía forma parte de la información que junta y organiza la termodinámica, una parte de la ciencia física encargada de calcular
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magnitudes de energía. La entalpía supone la cantidad de energía que se pone en movimiento o en acción cuando se genera presión constante sobre un determinado elemento u objeto material. Así, el sistema termodinámico conocido como entalpía es el que se puede utilizar para conocer la energía o los joules (unidad que se usa en este caso) contienen un elemento, por ejemplo un alimento.
La fórmula de la entalpía termodinámica es la de H = U + pV. La entalpía es representada oficialmente con la letra H y en la ecuación es igual a la suma de la energía interna o U con el volumen del elemento puesto a presión constante. Así, para conocer la entalpía de un alimento por ejemplo para conocer sus calorías, se lo debe someter a presión constante para conocer la energía liberada y esa energía más la cantidad de presión aplicada sobre su volumen dará como resultado la entalpía. (WEB)
2.3.4 Rendimiento
Uno de los parámetros más importantes para evaluar el funcionamiento de una caldera es su rendimiento, que se define como la relación entre el calor útil producido (considerando las diversas pérdidas a través de los gases de combustión, las paredes de la caldera y los caudales de purga) y la energía proporcionada por el combustible.
Para evaluar el rendimiento es necesario disponer de un analizador de gases de combustión que proporcione la concentración en gases de O2, CO2, CO y la temperatura de los gases, así como un
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termómetro de superficie para medir la temperatura de las paredes de la caldera.
El color oscuro de los humos puede implicar también un desajuste en la mezcla aire-combustible debido a una pulverización insuficiente del combustible. Si se emplean combustibles líquidos, es necesario realizar una regulación y limpieza de los quemadores para obtener una buena pulverización.
El ahorro de combustible obtenido con una buena regulación de la combustión puede llegar a suponer entre el 5-7 % del consumo total del equipo. (CARL D. SHIELD, 1999)
2.3.5 Métodos de prueba
Determinación de la eficiencia térmica a partir del balance de energía de una caldera es posible calcular la eficiencia térmica de dos maneras:
a) Método Directo b) Método Indirecto
El Método Directo involucra el ingreso y la utilización de calor, de modo que la eficiencia térmica se calcula mediante:
𝒏 = 𝑸𝒂
𝑸𝒄𝒙𝟏𝟎𝟎 𝑬𝒄. (𝟐. 𝟏)
El Método Indirecto involucra el ingreso y la pérdida de calor, de modo que la eficiencia térmica se calcula mediante:
𝒏 = 𝟏 −𝑸𝒑
𝑸𝒄𝒙𝟏𝟎𝟎 𝑬𝒄. (𝟐. 𝟐)
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El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores de combustión, absorbido y perdido, respectivamente. (CARL D. SHIELD, 1999)
2.4 HIPÓTESIS
Si se analiza un Caldero Pirotubular de 300 BHP mediante: pérdidas por entalpia de los gases de escape, pérdidas por entalpia de vapor de agua en los gases, pérdidas por los inquemados gaseosos, pérdidas por radiación, pérdidas por convección; entonces se mejorará su Eficiencia en la Empresa AGROMANTARO S.A.C.
2.5 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
Tabla N°2.1: Operacionalización de la variable dependiente Variable Dependiente: Eficiencia
Definición conceptual
Dimensión Indicador
Es la
capacidad de obtener
objetivos por medio de una relación deseable entre inputs y outputs o, en otros
términos, de existencia de máxima productividad de los inputs empleados y/o de mínimo coste de obtención del producto.
Relación entre el calor útil producido y la energía proporcionada por el combustible.
%
%
Fuente: Elaboración Propia.
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Tabla N° 2.2: Operacionalización de la variable independiente Variable Independiente: Caldero Pirotubular
Definición
conceptual Dimensión Indicador
Aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de energía
térmica, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
Pérdidas por entalpías, que emanan los gases
mediante la
chimenea, cámara de humos, tuberás.
Kcal Kg
Fuente: Elaboración Propia.
53 CAPÍTULO III
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN
El método de investigación que se propone en esta tesis, es el método sistémico. Toda vez que abarca problemas de la sociedad, la naturaleza y el pensamiento, son complejo; esto exige que los objetos de estudio sean sistemas y no subsistemas.
El propósito del método es estudiar al caldero mediante la determinación de sus elementos, sus relaciones y límites para observar su estructura y la dinámica de su funcionamiento. El enfoque sistémico enfrenta el problema en su complejidad a través de un pensamiento basada en la totalidad, en el estudio de la relación entre las partes y de las propiedades emergentes resultantes.
54 3.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN
Cuando nos referimos a los tipos de investigación, aludimos a la clasificación de la investigación. Tradicionalmente, se presentan tres tipos de investigación como señala Valderrama (2013), las cuales son básica, aplicada y tecnológica u operativa. Cada uno de estos tipos de investigación tiene objetivos y estrategias diferentes para llevar a cabo el proceso de investigación.
La investigación básica, también conocida como investigación teórica, pura o fundamental. Está destinada a aportar un cuerpo organizado de conocimientos científicos y no produce necesariamente resultados de utilidad prácticas inmediatas. Se preocupa por recoger información de la realidad para enriquecer el conocimiento teórico – científico, orientado al descubrimiento de principios y leyes.
Nuestra investigación se ubica en la investigación es de tipo Básico, ya que se buscará analizar un Caldero Pirotubular de 300 BHP, usando combustibles Diésel y GLP, para mejorar la eficiencia en la Empresa AGROMANTARO S.A.C.
3.3 NIVEL DE INVESTIGACIÓN
La presente investigación debido a las características de estudio se considera Descriptivo comparativo; ya que su objetivo principal es analizar las pérdidas de un caldero, para observar su eficiencia.
Podemos señalar que este nivel descriptivo mide y describe las características de los hechos o fenómenos. Sobre el tema Hernández (2010), menciona: Que busca especificar las propiedades, las características y las
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personas, grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir, únicamente pretende medir y recoger información de manera o conjunta sobre los conceptos o las variables a las que se refieren.
Y Comparativo por que recoge información actualizada de varias muestras sobre un mismo objeto de investigación y lo caracteriza sobre la base de una comparación. Sirve para estudios de diagnóstico descriptivo comparativos, caracterizaciones sobre la base de varios factores. (E. Montes, 2010)
3.4 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
Se sabe que la investigación Básica es una organización esquematizada que permite relacionar y controlar las variables de la investigación, toda vez que nos direcciona de manera lógica al cumplimiento del objetivo.
Establecido el planteamiento de problema, el alcance de la investigación y la formulación de las hipótesis; es necesario visualizar la manera más concreta de responder las preguntas y así cubrir los objetivos fijados en la investigación. Esto nos hace pensar en diseñar la metodología adecuada que permite lograr las exigencias del estudio, con la finalidad de obtener información deseada. (E. Montes, 2010)
Diseño de la investigación: Descriptivo - comparativo.
M1 O1
M2 O2
Mn On
O1
= O2
= O3
56 Dónde:
M1, M2, Mn; Son cada uno de las muestras del estudio.
O1, O2, O3; Observación de las muestras para recoger información relevante.
Comparación entre cada una de las muestras, pudiendo ser semejantes ( ), iguales (=) o diferentes ( ).
3.5 POBLACIÓN, MUESTRA O UNIDAD DE OBSERVACIÓN
Para nuestro estudio se tomó como unidad de observación la Caldera de la empresa AGROMANTARO.
3.6 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS 3.6.1 Técnicas de recolección de datos.
De acuerdo con nuestro problema de estudio e hipótesis, la siguiente etapa consiste en recolectar los datos pertinentes sobre los atributos, conceptos o variables de las variables de análisis.
a. Los datos obtenidos fueron proporcionados por personas, se produjo de observaciones de los documentos, archivos y bases datos.
b. Las muestras seleccionadas, pero fue necesario definir con precisión el objeto de estudio.
c. Otra forma de obtener datos fue las fuentes primarias, como fue el comportamiento y situaciones observables considerando el conjunto de dimensiones e indicadores.
d. También se obtuvieron datos mediante, las fichas bibliográficas, los datos del comportamiento del caldero.
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3.6.2 Instrumentos de recolección de datos
Los instrumentos de medición de la variable independiente, se emplearon en cuestionarios y mediciones, con la finalidad de obtener datos cuantitativos, en relación con el nivel de conocimientos de hábitos de estudio de cada una de las dimensiones establecidas en la operacionalizacion de las variables.
Para la variable dependiente los instrumentos de medición, se realizaron mediciones al estilo de pruebas objetiva, con la finalidad de valorar los aciertos, reconocer las fallas y contar con información valida.
3.7 PROCEDIMIENTO DE RECOLECCIÓN DE DATOS.
Los procedimientos de recolección de datos se realizaron mediante la observación del fenómeno en estudio, con el instrumento seleccionado, realizando un análisis cualitativo y cuantitativo que se describió el objeto de estudio permitiendo formular o establecer el plan de acción pertinente recomendado para mejorar la realidad descrita. La técnica que se utilizó para obtener la información está definida mediante el análisis de control de parámetros de funcionamiento del sistema objeto de la investigación, empleando como instrumento listas de cotejo, datos estadísticos.
Tabla N° 3.1: Procedimiento de Recolección de Datos
Nº TÉCNICA INSTRUMENTO OBSERVACIÓN
1 Cotejo Lista de cotejo Uso de combustibles en la Caldera 2 Observación Ficha de registro Datos térmicos, gases
3 Entrevista Formato de entrevista
Para acopio de información especializada a los profesionales del área.
FUENTE: Elaboración Propia
58 CAPÍTULO IV
ANALISIS Y COMPARACION DE EFICIENCIA DE UN CALDERO PIROTUBULAR USANDO COMBUSTIBLE DIESEL Y GLP.
4.1 Datos del Caldero y Equipos
CALDERA MARCA POWER MASTER Capacidad: 300 BHP
Modelo: 3H Serie: P6830029 Año fabricación: 1988 Presión máxima: 2 2 5 PSI Presión trabajo: 150 PSI
Superficie de calentamiento: 1500 pie2 QUEMADOR FISHER CONTROLS Modelo: 9 5 H
59 Capacidad: 12600 MBTU/H
Combustible: Petróleo PR6
Figura Nª 4.1. CALDERO PIROTUBULAR Fuente – Caldera de la Empresa AGROMANTARO
Figura Nª 4.2. Tanque de Condensado (recuperación de condensados) Fuente – Caldera de la Empresa AGROMANTARO
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61
Figura N° 4.3. Equipos para Medición
Fuente – Caldera de la Empresa AGROMANTARO
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4.2 PARÁMETROS DEL EQUIPO PARA LAS PRUEBAS:
Condiciones del equipo
Las condiciones que debe cumplir el equipo para realizar la prueba de eficiencia de son las siguientes:
La caldera a probar no debe estar afectada por otros equipos.
Durante la prueba no se deben de realizar purgas.
Durante la prueba no se debe de realizar soplado de hollín.
No debe de haber fugas de gases de combustión ni infiltraciones de aire.
El monóxido de carbono en los gases de combustión no debe ser mayor de 200 cm3/m3 (ppm).
La temperatura del agua a la entrada de la caldera deberá permanecer
constante, con una variación de +/- 2°C.
La caldera debe probarse a su máxima capacidad, la variación del flujo
no debe exceder del +/- 10%.
La temperatura del agua a la salida de la caldera deberá permanecer
constante, con una variación de +/- 2°C.
Variables a medir
Combustible: Flujo, presión y temperatura en caso de combustible líquido y gaseoso.
Caldera de vapor: Presión del vapor generado, temperatura del vapor, temperatura de los gases de escape, temperatura de las superficies
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exteriores en el lado del agua y el de fuego, índice de bacharah y composición de los gases de escape con el equipo bacharah, flujo y temperatura de agua de alimentación, flujo de vapor producido.
Sala de caldera: Temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo, presión barométrica, velocidad del viento cercano a la caldera.
4.2.1 VARIABLES A MEDIR
TABLA N° 4.1 Lista de símbolos utilizados en la NTP Tg Temperatura de gases de combustión a la salida del
equipo, °C
[O2] Concentración de oxígeno en gases de combustión (base seca).
[CO] concentración de monóxido de carbono en gases de combustión (base seca), °C
Tsf temperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre al fluido de trabajo, °C
Tsg temperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre a los gases de combustión, °C
B Índice de Bacharach.
Ta temperatura del aire ambiente alrededor de la caldera,
°C
V velocidad del viento, m/s FUENTE - NTP 350.300
