ANÁLISIS ENERGÉTICO-EXERGÉTICO DE CALDERA PIROTUBULAR COMPACTA AUTORES:
D. Rodríguez Rodríguez Peña, Peña, J. A. Carvajal Álvarez, Álvarez, J. M. Gil Ortiz, R. Acosta González. Centro Universitario de Las Tunas. Cuba. RESUMEN. Para determinar el estado técnico del generador de vapor enclavado en el Centro
Universitario de Las Tunas se realizó un un análisis energético, entrópico entrópico y exergético, la Caldera (generador de vapor) es del tipo pirotubular. Fueron analizados los flujos de entrada y salida del sistema caldera sobre la base de temperatura, entalpías, exergías, entropías y flujo de masa. El estudio se realizó en las condiciones de estado estacionario de trabajo de la misma. Los rendimientos se obtienen por debajo de los recomendados recomendados en el funcionamiento de este tipo de generador de vapor. El rendimiento exergético fue mucho menor que el energético, como se reporta en la literatura, al final se hacen propuestas para mejorar los resultados obtenidos. obtenidos. Palabras clave: Balance Energético, Energía Térmica, Exergía, Caldera Pirotubular. ABSTRACT. To determine the technical status of the boiler generator located at the
Universitary Center of Las Tunas it was made an energetic, entropic and exergetic analysis. The boiler is of the fire-tube type. We also analyzed analyzed the incoming and and outgoing flows on on the base of temperature, enthalpies, exergies, entropies and the mass flow. This research was made under a stationary working state in which the obtained efficiencies are lower than the recommended by this boiler generator functional process, and the exergetic efficiency was also quite lower than the energetic, as reported in the original patterns. At the end we provide different improving recommendations to revert the obtained results. Key Words: Energy Balance, Term Energy, Exergy, Ffire-Tube Ffir e-Tube Boiler INTRODUCCIÓN
Debido a la escasez de combustibles fósiles y su encarecimiento, resulta necesario el desarrollo de sistemas térmicos de alta eficiencia (Moran, 2000). El método del análisis exergético es especialmente adecuado adecuado para lograr aumentar el rendimiento del sistema, pues permite determinar la localización, tipo y magnitud real las pérdidas (Martínez, 2005; Moran, 2000). El uso eficiente de los recursos energéticos se logra reduciendo tanto como sea posible la destrucción de exergía dentro de los sistemas térmicos (Martínez, 2005; Moran, 2000). Esto permite centrar la atención atención en aquellos aspectos aspectos de la operación del sistema sistema que ofrecen mayores mayores posibilidades de mejora mejora (Martínez, 2005; Moran, Moran, 2000). El sistema sistema a analizar es un un generador de vapor del tipo pirotubular, de hasta 10 kgf/cm2 de presión, fabricado por la empresa ALASTOR. Se realizarán al mismo balances de masa, energético, exergético y entrópicos para determinar su eficiencia y la magnitud de las sus irreversibilidades con vistas a evaluar su estado técnico y establecer posibilidades de mejora. Los análisis se realizarán mediante la adecuación de metodologías clásicas (Faires, 1991; Martínez, 2005; Molina, 2000; Moran, 2000). MATERIALES Y MÉTODOS
En la figura 1 se muestra el sistema a analizar, en el se representan los flujos de entrada y salida al generador de vapor. Determinación de los flujos: 1) El de combustible al igual que el de agua se determinó por los tiempos de trabajo y la variación de los niveles en sus respectivos tanques de alimentar. 2) Flujo de aire: se asumió una combustión completa. Se calculó el aire teórico para quemar un kg de diesel y se multiplicó por 1.1 como coeficiente de exceso de aire para obtener el real. El flujo de aire se expresó en la caldera da el flujo de aire en
, que multiplicado por el flujo de combustible que entra a .
3) Consumo de electricidad: es la que consume el generador, en el ventilador y la bomba de combustible, se mide el consumo de energía con un wattímetro. 4) Consumo de vapor: se asume igual al del agua. Se midió el consumo de agua en tanque de alimentar al inicio y final, con esto se determina el consumo horario de agua. 5) Masa de gases de escape: se asumió como la suma de la masa del combustible y del aire de entrada. 6) Pérdidas de calor al ambiente, por las paredes del generador de vapor: fueron medidas las temperaturas de las superficies con un termómetro y fue aplicada la ley de enfriamiento de Newton. 7) Otros datos: se obtuvieron por los equipos de medición de la caldera. 8) La composición gravimétrica real del combustible que entra: se asumió una composición referida en la literatura la cual se precisa más adelante, ya que ésta no varía significativamente de un diesel a otro (Molina, 1993).
Instrumentación empleada •
Manómetros Bourdon instalados en: Hogar de la Caldera, Salida de Vapor, entrada de agua. precisión 0.1 kgf/cm2 Termómetros, precisión 1ºC en: Chimenea, Tanque de agua de alimentar, Superficie de la Caldera Cronómetro, precisión 0.1 segundos. Flujómetro Ultrasónico Portaflow 300. Aforos de Tanque de combustible y agua de alimentar, mediante métodos matemáticos de integración. Cinta métrica, precisión 1 mm. Pie de Rey precisión 0.01 mm. Wattímetro precisión 0.1kW . .
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Métodos de cálculo para los balances. Se establece primero el sistema a estudiar, y se determinan los flujos de entrada y salida de los mismos, con ellos se realizan los balances según su carácter y se calculan los rendimientos (Faires, 1991; Houguen, 1978; Martínez, 2005; Moran, 2000). A continuación se especificará con más detalles los pasos a seguir. Establecidos los flujos de entrada y salida se pasa a la medición de estos con los instrumentos mencionados, las mediciones se realizan cuando el generador lleva 10 min de trabajo para que se acerque en lo posible al flujo estacionario, se obtienen los siguientes resultados: Mediciones de los flujos de entada y salida: Donde: Pvapor presión de vapor Tvapor temperatura del vapor
temperatura del agua de alimentar Gvap r flujo de vapor Gaire flujo de aire Gcom flujo de combustible GG flujo de los gases de escape Pelect potencia eléctrica consumida por el α coeficiente de exceso de aire
generador de vapor
Combustible: Diesel. Principales características del combustible consumido por el generador: Composición química del combustible Humedad del Combustible, (Colectivo de Autores, 1982). Densidad del combustible: ρ D=860 kg/m3 (Colectivo de Autores, 1982). Balances a realizarles al Generador para el análisis energético-exergético. Balance de masa . (Faires, 1991; Hougen, 1978; Martínez, 2005; Moran, 2000; Pávlov, 1981) Balance energético
En el análisis energético se tienen en cuenta todas las energías que entran y salen del equipo. Se aplicó el primer principio de la termodinámica. En el caso de los flujos entrantes y salientes son multiplicados por sus entalpías correspondientes. Para el combustible, la energía de entrada es el poder calorífico inferior. (Faires, 1991; Hougen, 1978; Martínez, 2005; Moran, 2000)
Donde: h entalpías específicas de las sustancias. qr calor rechazado por el generador a través de sus paredes.
Balance exergético (Martínez, 2005; Moran, 2000). Donde: b exergías específicas de los flujos definidos en el sistema a estudiar. D destrucción de exergía en el sistema. La temperatura del ambiente de referencia (AR) en nuestro caso será de 25ºC, la exergía del aire es despreciable ya que su exergía química es sumamente baja y al entrar a temperatura ambiente no posee exergía física (Martínez, 2005). El agua de alimentar la caldera entra a temperatura ambiente 28°C. En el cálculo se demuestra que es despreciable su exergía física. Balance de entropía (Faires, 1991; Hougen, 1978; Martínez, 2005; Moran, 2000). Donde: s entropías específicas de las sustancias sg entropía generada en el sistema qr calor rechazado por el generador a través de sus paredes Balance de masa Se sustituyen los valores se y obtiene el siguiente resultado: La igualdad planteada en la ecuación no se cumple por un error del 0,34% lo cual no repercute en la eficacia de los resultados, y se atribuye esencialmente a los errores introducidos al cálculo debido al proceso de medición Análisis energético del generador de vapor. Como ya se planteó anteriormente la ecuación del balance
Los valores de entalpías son extraídos del soft. Progases-Propaguas (Agüera, 1998). El Poder calorífico inferior (PCI) del combustible se calcula por la expresión: (Molina, 1993). El calor rechazado se calcula por la ecuación de enfriamiento de Newton (Pávlov, 1981). El coeficiente de transferencia de calor por convección h se obtiene a partir de: (Pavlov, 1981). Se obtienen los valores y los sustituimos en la ecuación y se logra el siguiente resultado: . La igualdad planteada en la ecuación no se cumple por un error del 0,7% lo cual no repercute en la eficacia de los resultados, y se atribuye esencialmente a los errores introducidos al cálculo debido al proceso de medición. Cálculo del rendimiento energético Donde: P=Producto: Energía del Vapor – Energía del agua de alimentar. F=Energía del aire + Energía del combustible + Potencial eléctrico.
(Faires, 1991; Hougen, 1978; Martínez, 2005; Moran, 2000). Análisis exergético del generador de vapor: Como quiera que el balance exergético sea inherente a la Segunda ley de la Termodinámica, es no conservativo. Es decir, la exergía de un sistema no se conserva pues una parte se destruye en las transformaciones energéticas, debido a las irreversibilidades. De modo que el balance exergético se plantea como: S Bentrada = S Bsalida + I = S Bsalida + T0 Sg
(Martínez, 2005).
Donde B significa la exergía total (no específica), la cual será el producto de la exergía específica b, multiplicada por el valor de cada uno de los flujos que intervienen en el sistema. Sg es la entropía total generada e I son las irreversibilidades que se generan en el proceso, de modo que B estará en kW (G está en kg/s y b en kJ/kg, T0 Sg en kW). 1) Cálculo de las exergías de todos los flujos entrantes y salientes del sistema. 2) Balance exergético y el cálculo del rendimiento exergético. 1) Cálculo de la exergía de cada flujo presente en el sistema: Combustible: la principal componente exergética de los combustibles es la química, la componente física es despreciable, salvo casos excepcionales donde el combustible está sometido a muy alta presión y temperatura (Martínez, 2005). En este caso particular, el combustible entra a temperatura ambiente. El mayor inconveniente que presentan los combustibles líquidos y sólidos al calcular sus exergías, es que no tienen una composición molecular regular (debido a la diversidad en la composición elemental) por lo que se carece de los datos de las entalpías y entropías de formación, de modo que se utilizan correlaciones empíricas promedios. (Martínez, 2005).
La exergía de los combustibles sólidos y líquidos; bq se calcula a partir de la siguiente expresión (Molina, 1993):
Donde: Dhfo, es la entalpía de formación del combustible en el ambiente de referencia estándar (AR st), cal/mol carb. (Puede interpretarse como la energía que hubo que consumir para "sintetizar" ese compuesto, o sea, el combustible). So es la entropía del
combustible en el ambiente de referencia estándar, cal/mol carbonoK
fj, es el
elemento del vector de composición atómica del combustible de cada elemento constituyente de éste, en mol de elementos j/mol de carbono. mj, es el potencial químico de cada elemento constituyente del combustible en el cal/mol de elemento.
estado muerto,
Se obtiene:
Gases de la combustión Como quiera que una gran cantidad de gases (aire, gases producto de la combustión, combustibles gaseosos, etc.) están a presiones y temperaturas tales que pueden considerarse gases ideales, el cálculo de su exergía química se simplifica y puede hacerse por la expresión propuesta por Tsatsaroris: (Martínez, 2005).
cn
fracción molar de los componentes de las sustancias.
bn0
exergía química estándar (a p0 = 0.10 MPa y T0 = 298 K ) de todo componente del gas
constante universal de los gases
.
temperatura del ambiente de referencia (298 K) Se mide con el flujómetro el aire de entrada y se calcula el aire teórico que debe entrar al generador para que se produzca una combustión eficiente. Esto se realiza con la medición del combustible que entra al generador. Con estos dos datos se obtiene α que es el coeficiente de exceso de aire. T0
Cálculo el aire teórico (estequiométrico)
,
Aporte del combustible a los gases de escape: Aporte del aire atmosférico a los gases de escape: Volumen total de gases de escape
Cálculo de la fracción molar de cada gas:
Cálculo de exergía química en los gases de escape:
La exergía física la calculamos con el software Progases-Propaguas (Agüera, 1998).
Vapor y agua de alimentar:
El vapor sale de la caldera saturado, a una presión de 4.9 bar =>152C° . Con estos valores el software ProgasesPropaguas (Agüera, 1998) calcula la exergía física del vapor. Para el agua se aplica la misma metodología.
El aporte exergético del flujo del agua de alimentar de la caldera, es prácticamente nulo. Este problema repercute en el rendimiento exergético del equipo y aumenta la destrucción de exergía en el sistema, debido al aumento de las irreversibilidades al aumentar el ∆T de transferencia de calor.
Calor rechazado Del calor rechazado por las paredes se toma solo en consideración el rechazado por el mecanismo de convección libre, porque las paredes de la caldera tienen temperaturas
relativamente bajas ( 34 y 42 °C ) (Pavlov, 1981). Para determinar la exergía del calor total se suman
Calculo la exergía destruida:
(Martínez, 2005). Cálculo del rendimiento exergético: Donde: P: Productos. F: Recursos
Balance de Entropía
Según Gouy-Stodola (Martínez, 2005).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La evaluación estuvo dirigida a determinar el estado técnico del generador y valorar sus posibilidades de mejora. Las eficiencias en ambos balances -79% para el energético y 25% para el energético- fueron bajas, comparadas con otros resultados (Martínez, 2005; Molina, 1993). Para este tipo de calderas, las eficiencias deben estar en 86 % para el energético y 28 % para el exergético (Martínez, 2005; Molina, 1993) La notable diferencia entre la eficiencia energética y exergética da la medida de que realmente se obtiene un bajo por ciento de energía útil. El análisis de los flujos de entrada y salida muestra posibilidades para mejorar estos rendimientos: Aire de entrada: puede instalarse un intercambiador de calor para aumentar la energía y exergía al aire de entrada utilizando los gases de escape, con lo cual disminuyen las pérdidas de calor por la chimenea, además de mejorar el proceso de combustión. En el diseño del intercambiador se debe tener en cuenta el punto e rocío de los óxidos sulfurosos, que varía según su concentración y las condiciones ambientales se reporta que puede variar entre 139ºC y 163ºC (García, 2003). Combustible: Se puede aumentar su temperatura de entrada, mediante un intercambiador de calor con los gases de escape o vapor de la caldera. El aumento de la temperatura produciría crecimiento en la exergía física del mismo. Agua de Alimentar: Es la que ofrece mayores posibilidades de mejora, entra fría a la caldera, el aporte energético y exergético es prácticamente nulo, según la literatura se recomienda que debe entrar a alrededor de 75oC , si entrara a esta temperatura su aporte energético sería aumentado en 2,59 veces mientras que el exergético en 44,33 lo cual nos dice dos cosas: una que no varían proporcionalmente una y otra, la segunda que las variaciones exergéticas son más bruscas que las energéticas lo cual se traduce en mayores ganancias cuando hay mejoras y viceversa. Electricidad: Nada que hacer. CONCLUSIONES •
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Del resultado de los balances se obtienen valores que se corresponden con las deficiencias detectadas en el generador. Después del análisis realizado sobre el equipo se verifica que se le pueden hacer cambios para mejorar su eficiencia. Se demuestra que los análisis en los sistemas térmicos no deben realizarse solo desde el punto de vista cuantitativo (energético) sino que se debe incluir el cualitativo (exergético).
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Agüera Soriano, José: Software Progases-Propaguas, Dpto de Química-Física Universidad de Córdova. 1998.
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Colectivo de Autores: Técnicas de Conservación Energética en la Industria, Tomo1, Ahorro en Operaciones, Cap 4,5. Ediciones Revolucionarias. La Habana, 1982.
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Faires, V.M: Termodinámica, Cap 7, 8, 13. Ediciones Revolucionarias. La Habana, 1991. García, César, et all. Análisis integral de chimeneas como medio de dispersión del dióxido de azufre, Scientific Journal from the Experimental Faculty of Sciences, at La Universidad del Zulia, Volume 11 Nº 2, April-June 2003.
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Hougen O.A, K.M. Watson, R.A. Ragatz. Principios de los Procesos Químicos, TomoI Balances de Materia y Energía, Cap 11. Editorial Pueblo y Educación. La Habana, 1978.
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Martínez A, Manual de Termoeconomía, Ediciones Oriente. Santiago de Cuba, 2005. Molina Igartua, Luis Alfonso. Manual de Eficiencia Térmica en la Industria. Editorial CADEM. Bilbao, 1993.
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Moran M.J, H.N. Shapiro: Fundamentos de termodinámica Técnica. Editorial REVERTRE S.A. 2000.
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Pávlov K. F, et all. Problemas y Ejemplos para el Curso de Operaciones Básicas y Aparatos en Tecnología Química, Editorial MIR. Moscú, 1981.
AUTORES:
Ing. Daniel Rodríguez Peña.
[email protected] Lic. Juan Antonio Carvajal Álvarez.
[email protected] DrC. José Marcos Gil Ortiz.
[email protected] Lic. Rogelio Acosta González.
[email protected] Ing. Jorge Michel Corrales Suárez.
[email protected] Lic. Rafael Torres Sánchez.
[email protected]
