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1. De aqu se obtiene el rendimiento del ICQ 8 Balance de energ a en el hogar URL LUN E E EA E E4 como Egc t Ecz Ec 14 gcom EGN PCI on Cpon hton tos E B PCI Cpp t t E Aire primario Cp t c tue E Aire adicional Cp taa tne E V H i E con GASES omb CP gases to 7 t Donde Yromo rendimiento del horno eficiencia con la que se quema el combustible Eon energ a entregada por la combusti n del gas natural kJ h Es energ a entregada por la combusti n del baga zo kJ h En energ a entregada por el aire primario kJ h Ena energ a entregada por el aire adicional kJ h Ev energ a del vapor producido kJ h Esco energ a de los gases de combusti n kJ h PClew poder calor fico inferior del gas natural 8 400 kJ kg seg n informe provisto por t cnicos de la empresa que suministra el gas combustible PCls poder calor fico inferior del bagazo kJ kg 125 Revista Industrial y Agr cola de Tucum n 2008 Tomo 85 2 17 31 que incluye la energ a para evaporar la humedad del baga zo Hugot 1963 Cpe calor espec fico del bagazo kJ kg C ts temperatura del bagazo al ingresar a la caldera C te temperatura de referencia C se tom como temperatura de referencia O C Aire adicional caudal de aire adicional definido como la suma del aire secundario m s el aire espurio se adopta un valor del 10 del aire2. indicada en esta norma El c digo trabaja con valores referidos a la unidad de combustible por libras de combustible h medo 261 y el rendimiento est referido al poder calor fico superior Las ecuaciones necesarias son las siguientes 1 carb n quemado por lb de combustible C CZ x Btu por Lb de cenizas 100 14 500 Ec 18 Con Cy CZxBtu por Lb de cenizas cenizas por lb de combustible 100 14 500 Donde Cs carbono del combustible CZ cenizas 2 gases secos por lb de combustible _11C0 80 7 N co Ib carbono quemado 3 CO CO lb comb 368 Ec 19 Donde COx fracci n de volumen del di xido de carbono de los gases secos O fracci n de volumen del ox geno de los gases secos Nz fracci n de volumen del nitr geno de los gases secos S Lb de azufre por Lb de combustible 100x o co exceso de aire CO 0 2682N 0 vA Ec 20 3 4 output eficiencia x100 input Ec 21 Donde output energ a aprovechada por el fluido de traba jo definida como output V Hw iac input energ a entregada definida de la siguiente forma input PCS Gcomb A estas se agregan dos ecuaciones complementarias 1 Ecuaci n para determinar la cantidad de bagazo la cual se infiere con el caudal de gases secos medidos y la relaci n gases secos por combustible Ecuaci n 13 de la siguiente forma lb de combustible gases sec os medidos Ib de
3. La medici n del flujo de gases secos y de la emisi n de material particulado efluente por chimenea se efectu con un equipo de muestreo de part culas isocin tico marca Enviromental Supply Co modelo C 5000 El mencionado muestreo de part culas se realiz seg n el m todo N 5 de la Agencia de Protecci n del Medioambiente de los Estados Unidos de Norteam rica USEPA 1970 La cantidad de material particulado se determin por gravimetr a con una balanza anal tica marca OHAUS Explorer Pro modelo EP214C cuyo rango va de 0 a 200 g y cuya apreciaci n es de 0 0001 g La temperatura del aire caliente a la salida del preca lentador de aire se midi con una termoresistencia tipo Pt 100 con cabezal de conexi n normalizado cable de exten si n compensado y rango de trabajo de O a 400 C Se emple para la lectura de la temperatura un term metro digital m lti ple de seis canales marca IEA de resoluci n de 1 C y esca la de 50 a 500 C Para la determinaci n de humedad y cenizas del bagazo se tomaron muestras de las bocas de alimentaci n de la caldera y se procesaron en los laboratorios de la EEAOC La humedad del bagazo se determin por desecaci n en estu fa a 105 C hasta obtener un peso constante Los valores del contenido de cenizas se obtuvieron por incineraci n total en mufla computarizada a 550 C Para la determinaci n del contenido de carbono en las cenizas se tomaron muestras de las mismas y fueron coloca
4. kg h 52 112 5 130 9 84 pv ata 18 8 0 609 3 24 Tv 9C 315 8 2 395 0 76 CO 94 11 6 0 339 2 92 07 96 8 5 0 235 2 76 CO 9 0 6 0 079 13 18 Pcp kg h 13 59 1 41 10 38 Gscr kg h 59 408 3 209 5 40 Cscr 9 kg 6 25 0 4 3 08 A Entrada 2 3 0 18 8 13 Gases secos kg h 115 062 2 201 1 58 Coz 0 003 0 00026 8 81 Tgas C 271 3 2 614 0 96 tch C 15m6 1 977 125 taf C 25 8 2 454 9 51 tac C 2 4 413 2 09 tag C 106 8 4 055 3 80 GN Nni h 497 50 50 563 10 16 RESULTADOS En la Tabla 6 se muestran los valores promedio la desviaci n est ndar y el coeficiente de variaci n porcen tual de las variables medidas en los cinco ensayos realiza dos en cada caldera Cabe aclarar que no se observaron diferencias sig nificativas en las concentraciones de los gases secos a la salida del ICQ respecto a la entrada Figura 4 por lo que se puede asumir que el aire infiltrado fue despreciable Se observa que los mayores valores del coeficiente de variaci n porcentual CV 96 corresponden a la concen traci n de mon xido de carbono y se deben a la sensibili dad que presenta este elemento a los cambios en el pro ceso de combusti n A modo ilustrativo se muestran en la Figura 4 los resultados de los balances para el caso A caldera con bagazo En la Tabla 7 se detalla el c lculo para el caso A seg n norma ASME En la Tabla 8 se presentan los valores calculados para las variables principales y secundarias para cada caso como
5. Ec 2 Donde V flujo m sico del vapor producido 181 Hv entalp a espec fica del vapor producido ina entalp a espec fica del agua de alimentaci n C flujo m sico del combustible quemado PCI poder calor fico inferior del combustible quemado Cr d cr ditos de energ a calor sensible del aire de combusti n el agua de alimentaci n y el combustible Desafortunadamente no es un ejercicio simple deter minar la eficiencia de forma directa particularmente en el caso de una caldera que quema bagazo La dificultad radica en la medici n del flujo m sico del combustible a ser quemado Debido a la naturaleza del combustible bagazo en el mer cado no se encuentran medidores fiables para efectuar esta determinaci n La segunda alternativa es el m todo indirecto Se denomina tambi n m todo de las p rdidas y se basa en tabu lar las p rdidas Kohan 2000 El rendimiento se determina as por a 109 Ex P rd Ei Ec 3 i 7 P rd Y p rdidas i i l Ec 4 Este m todo requiere medir la concentraci n de los componentes de los gases de combusti n efectuar un an li sis del combustible y medir su caudal en el caso de aplicar el m todo completo Requiere adem s el c lculo de las p rdi das posibilitando el incremento de la eficiencia mediante la reducci n de las p rdidas identificables Su desventaja radica en la necesidad de recopilar una gran diversidad de datos experimentales y de efectua
6. as tambi n los valores de las variables de vali daci n y su error respecto al valor medido Como variables secundarias se tabulan el factor de diluci n el coeficiente de transferencia de calor del calentador de aire y el ndice de generaci n de vapor 127 Revista Industrial y Agr cola de Tucum n 2008 Tomo 85 2 17 31 V oses j eed elroua eseui ap seouejeq soj ap sopeynsey p enf sepipeui se qeue e uepuodseuoo olo ue seio e so BJON we N by T8 Da ES va DOZG 9M UNI 6915 Dd a E oO 0 uuN 00 N9 w W x 919 9 8 ozeDeg 9646 64 IN D bx 8 23955 oiDeidsep X ON E y6x esp 2 Psq y geg 09 9 onaldsep J sz Yl dzg8 uf 61951 leuoppe auy woc0 OO z gt 6m96x 000 75 18101 uiy 950001 xu 7 MCI E NL oI eidsep ON 7I 8 20 se y 6e 04 6920 A M LZ Joue ubX 08705 enby 36000 09 u 4 Z98Z9L Ms0seg gt J9 X 969 L1 209 u 4 91ggz S9SV9 enBy N T he JejoWw o 30 35sasec N Do C roc o0naldsep XON JeJOUJ 95 9335saseo Lj Do E901 9 Do ZWUA g ai N 3 Joder 6 38 U uf 8L916L S Do ELLE FAL a tzei s sMoOseseo ee Ori d yy 6FL d u 5y 80 009 td u6 08709 A uwy 298791 s seg J 9907 2e V Sc 2 1 E juei e oueund ei ba ozeDeq Hy 1odea bx gg H uoioe1eueb ap PU uy Z87994 euoroipe ae oueuind asy yg gg PIU ejeppeo ojueruipues e1opJeo euiajsis 9 ue eif 1euos eseu sp saduejeg ozebeq uoo
7. chimenea m h Humedad de gases de chimenea Temperatura de gases C Emisi n de material particulado kg h Caudal de agua de salida kg h Contenido de carbono en el agua kg C kg agua Factor de diluci n Temperatura de los gases de combusti n C Temperatura del aire caliente C Contenido de carbono kg C kg cenizas Temperatura del aire C Temperatura C Humedad 96 Cantidad de cenizas 96 primario natural Eficiencia energ tica en generadores de vapor Tabla 2 Puntos de medici n caracter sticos de una caldera de vapor compacta a gas natural Punto de medici n Denominaci n 1 Salida de vapor de la caldera 2 Domo 3 Aire primario de combusti n Entrada de combustible gas natural 5 Salida de gases por chimenea tro de dispersi n de los valores emple ndose la hoja de c lculo EXCEL 2000 Fylstra et al 1998 Como valor comparativo se ha definido la desviaci n est ndar porcen tual relativa al valor pro medio como CV Desv est Ec 5 Donde Desv est desviaci n est ndar de las mediciones VP promedio de los valores medidos Instrumentos y equipos utilizados Los ensayos de medici n en calderas se desarrollaron cuando las mismas se encontraban en condiciones estables de operaci n En todos los casos las variables de los puntos de medici n se obtuvieron de los instrumentos instalados en la planta de calderas empleando instrumental port til pertene cient
8. das en una mufla a 600 C durante cinco horas hasta su inci neraci n total Luego por gravimetr a se determin el peso de carbono En la determinaci n se ha supuesto que todo el material org nico quemado es carbono El contenido de carbono a la salida del filtro h medo scrubber se determin tomando una muestra del agua de lavado de los gases a la salida del equipo con la utilizaci n de 121 Revista Industrial y Agr cola de Tucum n 2008 Tomo 85 2 17 31 conos de precipitaci n se separaron los s lidos del agua determinando su concentraci n en forma directa Por otro lado se determin el contenido de cenizas por incineraci n total de la muestra de s lidos recuperados en los menciona dos conos de precipitaci n Luego por gravimetr a se obtuvo la correspondiente cantidad de carbono considerando tam bi n como nico material org nico a este elemento Por otro lado se midi el flujo del agua de lavado que ingresa al scrubber y con la concentraci n de s lidos en el agua de salida se determin la cantidad de part culas reteni das en este medio Para la medici n del flujo de agua se uti liz un caudal metro ultras nico port til de tiempo de tr nsito marca FLEXIM modelo FLUXUS ADM 6725 para rangos de velocidades de flujos de 0 01 a 25 m s y con una resoluci n de 0 025 cm y exactitud de 1 En el ensayo de la caldera a gas natural y mixta la medici n que se adiciona es la del caudal de gas natu
9. e1epje2 28 1 Eficiencia energ tica en generadores de vapor Tabla 7 Determinaci n del rendimiento con el m todo directo del c digo ASME 1 Presi n de vapor en el Domo 247 psi 17 ata 2 Presi n de vapor a la salida del sobrecalentador 247 psi 17 ata 5 Temp de vapor a la salida del sobrecalentador 592 F 311 ata 8 Temp del agua de entrada 223 F 106 IE 9 Calidad del vapor humedad 0 0 10 Temp aire ambiente UU E 25 EC 11 Temp aire para la combusti n 401 F 205 C 12 Temp del combustible TI IP 25 E 13 Temp gases de chimenea 360 F 182 C 14 Temp gases entrada 580 F 304 e 15 Entalp a de saturaci n 1 201 Btu Lb 2 794 kJ kg 16 Entalp a del vapor sobrecalentado 1 313 Btu Lb 3 054 kJ kg 17 Entalp a alimentaci n 191 Btu Lb 444 kJ kg 20 Calor absorbido por libra de vapor 1 122 Btu Lb 0 kJ kg 22 Ceniza seca por libra de combustible 0 03 Lb Lb 0 03 kg kg 23 Btu por Lb de ceniza peso promedio 228 Btu Lb 530 kJ kg 24 Carb n quemado por Lb de combustible Ec 18 0 203 Lb Lb 0 203 kg kg 25 Gases secos por Lb de combustible Ec 19 4 46 Lb Lb 4 46 kg kg 26 Caudal de agua 110 847 Lb hr 50 280 kg h 28 Caudal de combustible 80 503 Lb hr 36 516 kg h 29 Input n 28 n941 1000 309 890 kB hr 326 957 280 kJ h 30 Calor en sopladores 0 kB hr 0 kJ h 31 Output 124 371 kB hr 131 220 197 kJ h 322607 11 38 vol 33 O 8 62 vol 34 CO 0 06 vol 35 N 79 94 vol 36 Exceso de aire Ec 20 66 85 37 Humedad 52 peso 40 Cenizas 3 14 peso 41 Btu
10. neum tico Alre secundarlo Figura 1 Generador de vapor para bagazo del tipo acuotubular con la indicaci n de los puntos de medici n 19 Revista Industrial y Agr cola de Tucum n 2008 Tomo 85 2 17 31 Tabla 1 Variables de medici n caracter sticas de un generador de vapor con bagazo Punto de medici n Figura 2 Esquema de la caldera compacta acuotubular para gas natural con la indicaci n de los puntos de medici n A Corte Denominaci n Salida de vapor de la caldera Domo Entrada de gases al precalentador de aire Entrada del aire primario fr o al precalentador Salida de gases por chimenea Salida de agua scrubber lavador de gases Salida de gases del precalentador de aire Salida del aire primario caliente del precalentador Cenizas Entrada de aire secundario Boca de alimentaci n de bagazo Chimenea seccional de la caldera B Corte longitudinal vista de planta 201 MEETS n CTS C ET Caudal de vapor t h Temperatura de vapor sobrecalentado C Presi n de vapor sobrecalentado kg cm Caudal de agua de alimentaci n m h Temperatura del agua de alimentaci n C Concentraci n de O CO y CO en gases secos Factor de diluci n Temperatura de los gases de combusti n C Temperatura del aire primario fr o C Concentraci n de O CO y CO 96 en gases secos Caudal de gases secos de
11. sobrecalentado en funci n de la temperatura del vapor Tv y de la presi n de vapor pv kJ kg de tablas de vapor ina entalp a espec fica del agua de alimentaci n en funci n de la temperatura del agua de alimentaci n taa kJ kg de tablas de vapor n rendimiento t rmico de la caldera PCI poder calor fico inferior del combustible kJ kg Geo caudal de combustible kg h o Nm h kg quivatente Dl Cr d cr ditos de energ a calor sensible del aire de combusti n el agua de alimentaci n y el combustible comi Ec 11 Con esta ecuaci n se determina el rendimiento t r mico de la caldera n 7 Balance de energ a en el ICQ Q Aire primario Cp t nmm Gases h medos Cp gases t E La Mic Ec 12 Gases h medos GASES eeo Agua seco gases Ec 13 Donde Q calor de transferencia kJ h Aire primario caudal de aire primario kg h CPaire calor espec fico del aire 1 kJ kg C tac temperatura del aire caliente C tr temperatura del aire fr o C CPoases calor espec fico medio de los gases h me dos de combusti n se adopta 1 67 kJ kg C te temperatura de los gases a la entrada del ICQ C to temperatura de los gases a la salida del ICQ C en el caso de la caldera a gas natural te coincide con la temperatura de los gases de chimenea tcn nca rendimiento del intercambiador de calor GaseSnmess caudal de gases h medos kg h
12. 12 De 304 8 a 508 mm 12 a 20 gt 508 mm 20 Hasta 203 2 mm 8 de di metro equivalente De 304 8 a 508 mm 20 de di metro equivalente 12 a 20 gt 508 mm 20 de di metro equivalente Cantidad de orificios 1 uno 2 dos a 90 3 tres a 120 4 cuatro a 90 1 uno a L 2 2 dos a L 3 y 2 3L 3 tres a L 6 L 2 y 5 6L Tabla 4 Composici n elemental del bagazo Composici n propuesta Composici n corregida por Hugot c 47 0 H 6 5 O 44 0 cenizas 2 5 45 00 6 20 42 20 6 55 221 Eficiencia energ tica en generadores de vapor Caldera Aire primario caliente Temperatura t ac Vapor Presi n Pv Caudal V Temperatura Tv Gases de combusti n Temperatura tc Composici n del gas seco Agua Temperatura tac Aire Adicional Temperatura tay Cenizas Contenido de carbono XC c7 Bagazo GN Humedad wg Caudal GN Cenizas x cenizas Poder calor fico inferior PCI aj Poder calor fico inferior PCI Composici n elemental Temperatura tg Aire primario Temperatura t ag Gases de chimenea Caudal de gases secos Gas Composici n del gas seco Temperatura ton Temperatura Ten Material particulado Caudal P Aire infiltrado Temperatura T4 Agua scrubber Caudal G scr Contenido de carbono XC scr Figura 3 Diagrama de un generador de vapor con los datos de entrada necesarios mostrando los centros de bal
13. 6 y un ndice de generaci n de 9 8 kg de vapor Nm de gas natural Para una caldera que quema en forma simult nea bagazo y gas natural se determin un rendimiento de 68 396 y un ndice de generaci n de 1 87 kg de vapor kg de bagazo equivalente Como validaci n de esta metodolog a se contrastan estos valores de eficiencia con los obtenidos seg n el c digo propuesto por la American Society of Mechanical Engineers ASME Palabras clave balances energ a calderas rendimiento particulado ABSTRACT Methodology to calculate thermal efficiency of steam boilers A deterministic mathematical method for processing experimental data applied to a steam generator air heater system in stationary state which operates with one or two fuels simultaneously was developed to determine the thermal efficiency of the system as well as fuel combustion and heat exchanger efficiency The methodology is based on the resolution of matter and energy balances for each of the system components This methodology can be applied to steam generators using bagasse natural gas or both mixed boilers as fuels Examples of thermal efficiency calculations using data from several experimental tests on steam generators where each type of fuel processing occurs are presented The resolution of matter and energy balances in a boiler fired with bagasse gave a thermal efficiency of 53 296 and a rate of 1 38 kg of steam kg of bagasse For a boiler fired with natural gas a th
14. ISSN 0370 5404 Rev Ind y Agr c de Tucum n Tomo 85 2 17 31 2008 Metodolog a de c lculo de la eficiencia t rmica de generadores de vapor Marcos A Golato Federico J Franck Colombres Gustavo Aso Carlos A Correa y Dora Paz RESUMEN Se desarroll un m todo matem tico determin stico de procesamiento de registros experimentales aplicable a un sistema generador de vapor precalentador de aire en estado estacionario que opere con uno o dos combustibles simult neamente para determinar la eficiencia t rmica del mismo y la eficiencia con la que se oxida el combustible como as tambi n el rendimiento del intercambiador de calor La mec nica de procesamiento se basa en la resoluci n de los balances de materia y energ a sobre los diferentes equipos que conforman el sistema Esta metodolog a es aplicable a aquellos generadores de vapor que empleen como combustible bagazo gas natural o ambos caldera mixta Se ilus tran como ejemplos de aplicaci n los resultados del c lculo de la eficiencia t rmica de diferentes generadores de vapor para cada tipo de combustible procesado empleando para ello datos de diversos ensayos experimentales La resoluci n de los balances de materia y energ a en una caldera que quema bagazo dio como resultado un rendimiento t rmico de 53 296 y un ndice de generaci n de 1 38 kg de vapor kg de bagazo Para una caldera cuyo combustible es gas natural se obtuvo un rendimiento t rmico de 76 79
15. ances hogar precalentador de aire ICQ scrubber y caldera enmarcada en l neas de trazo determinadas experimentalmente en los ensayos de laborato rio Tabla 4 La Tabla 5 detalla la composici n del gas natural GN utilizada en los c lculos provista por la empresa comerciali zadora de gas natural en Tucum n Los datos de entrada son los identificados en la Figura 3 Tabla 5 Composici n molecular del GN Composici n elemental GN N 0 66 CO 2 22 CH 90 39 CH 5 35 C H 0 89 C H 0 33 C H 0 11 CHa 0 05 Las ecuaciones se obtienen de los siguientes balan ces tres balances de masa en el hogar carbono hidr geno ox geno un balance de masa en el ICQ que incluye la entra da de aire infiltrado balance de energ a en la caldera balan ce de energ a en el ICQ balance de energ a en el horno y balance de materia en el scrubber Se llega a un total de ocho ecuaciones de balance Las inc gnitas del sistema son 1 Caudal de bagazo que ingresa al hogar B 2 Caudal de agua en los gases 3 Caudal de aire total aire total aire primario fr o aire secundario 4 Caudal de aire infiltrado 5 Rendimiento energ tico del sistema de generaci n de vapor nes 6 Rendimiento energ tico del calentador de aire nico 7 Rendimiento energ tico del horno o eficiencia de la combusti n Nnomo 8 Carbono que acompa a a los gases antes del scrubber El grado de libertad del sistema es n
16. ario cuantificar el caudal de combustible mediante un balance de carbono partiendo del valor medido del caudal de gases secos en la chimenea del generador MATERIALES Y M TODOS Caracter sticas de los sistemas ensayados A partir de ensayos de mediciones de las caracte r sticas de operaci n de las calderas se evalu la eficien cia de generaci n de vapor en tres unidades que utilizan diferentes combustibles A bagazo B gas natural C bagazo y gas natural simult neos caldera mixta La primera caldera es del tipo acuotubular con grilla volcable para la combusti n de bagazo en capa Posee una superficie de calefacci n de 2660 m con una producci n nominal de 80 t h a una presi n manom trica de 18 kg cm y una temperatura de vapor de 330 C Esta caldera opera con un precalentador de aire ICQ de 2571 m de superficie un sistema de inyecci n de aire secundario fr o para favorecer la turbulencia en el interior del hogar overfire un lavador de gases scrubber y carece de economizador En la Figura 1 se observa un esquema b sico de la caldera bagacera en el cual se indican los puntos de medi ci n y muestreo de las variables caracter sticas de operaci n En la Tabla 1 se detallan para cada punto de medi Vopor sobrecalentado ci n las respectivas variables medidas en f brica y determi nadas en laboratorio necesarias para la resoluci n de los balances de masa y energ a para una ca
17. carbono no quemado en la ceni za porcentaje en peso referido a inorg nicos nicamente CZ contenido de ceniza inorg nicos en el com bustible 96 Tabla 4 Csca contenido de particulado carbono en el agua de salida del scrubber kg kg agua Gsca caudal de agua a la salida del scrubber kg agua h De este balance se obtiene el caudal de bagazo quemado 2 Balance de material particulado en el scrubber Pr Pger Pon Ec 7 Donde Pr caudal material particulado total kg h a la entrada de gases en el scrubber Psca flujo de material particulado del agua de salida del scrubber kg h Pch emisi n de material particulado kg h que acompa a a los gases de la chimenea De este balance se determina Pr 24 1 3 Balance de hidr geno en el hogar NH on NH NH oon Ec 8 NH on GN 4 CH 6 C H 8 C H 10 C H 412 C H 14 C His dan w PM B NH B O wa 43 H H O 2 gases PM H O NH ocn Agua Donde NHen tomos de hidr geno por hora en el gas natural NHe tomos de hidr geno por hora en el bagazo h medo NHacha tomos de hidr geno por hora en los gases de chimenea Hs composici n de hidr geno en bagazo seco por centaje en peso Tabla 4 PM masa at mica del hidr geno 1 kg k tomo PMhzo masa molar del agua 18 kg kmol AQUasases flujo de agua en los gases de chimenea kg h De este balance se obtiene el caudal de agua en los gases
18. de chimenea Aguas 4 Balance de ox geno NO on NO NO NO NO agua Ec 9 NO GN 2 CO gt O w NO B I w p PM o PM HO Gas NO cs 2 0 CO 2 CO Gasseco NO Agua gases agua PM HO Donde NOew tomos de ox geno por hora contenidos en el gas natural NOs tomos de ox geno por hora en el bagazo h medo NOare tomos de ox geno por hora del aire total Eficiencia energ tica en generadores de vapor NOes tomos de ox geno por hora en los gases Secos NO tomos de ox geno por hora del agua conte nida en los gases la cual se obtiene del balance de hidr geno CO3 ew di xido de carbono del gas natural O composici n de ox geno en bagazo seco por centaje en peso Tabla 4 O CO CO gas seco composici n del O CO y CO de gases secos Tabla 6 De este balance se obtiene el ox geno del aire total Oare y con este y la composici n del aire se obtiene el caudal de aire total 5 Balance de masa en el ICQ Gases 4 ic9 Aire ju Gases ui 100 Ec 10 Donde Gases eco gases a la entrada del precalentador de aire kg h Aire wr aire infiltrado kg h Gases sa ico gases a la salida del precalentador kg h De este balance se obtiene el caudal de aire infiltrado 6 Balance de energ a en la caldera V Hv i45 n PCI G Cr d Donde V producci n de vapor kg h Hv entalp a espec fica del vapor
19. e al Laboratorio de Mediciones Industriales de la EEAOC Para determinar la concentraci n porcentual de CO O y CO en gases secos se utiliz un analizador electr nico de gases de combusti n marca TESTO modelo 454 con rango de 0 a 25 96 y resoluci n de 0 1 96 para el O y rango de 0 a 10 000 ppm y resoluci n de 1 ppm para el CO resul tando el CO obtenido por c lculo Este instrumento determina adem s el factor de diluci n por c lculo en funci n del tipo de combustible seleccionado y la temperatura de los gases con rango de 40 a 1200 C Golato et al 2005 practic ndo se estas mediciones a la entrada y a la salida del precalenta dor de aire y en la chimenea Si los valores del factor de diluci n presentan diferen cias significativas entre la entrada y la salida del precalentador de aire se evidencia una infiltraci n de aire El aire infiltrado es AE TEES SIE E Te ELS Caudal de vapor t h Temperatura de vapor sobrecalentado C Presi n de vapor sobrecalentado kg cm Caudal de agua de alimentaci n m Gh Temperatura de agua de alimentaci n C Temperatura del aire C Caudal de gas natural Nm h Caudal de gases de chimenea m 3h Concentraci n de O CO y CO 96 en gases Factor de diluci n Temperatura de los gases de combusti n C Emisi n de material particulado kg h el que ingresa entre estos dos puntos de medici n resultando incierto el lugar espec fico de entrada
20. el precalentador de aire ICQ la entrada de agua y la correspondiente salida de vapor del generador Adem s se observa el ingreso de aire adicional que est compuesto por el aire secundario formado por aire de turbu lencia y aire de los esparcidores neum ticos que ayudan a dis tribuir el bagazo sobre la parrilla y el aire espurio originado por ingresos no deseados en diferentes zonas del hogar Pueden existir variantes al esquema de la Figura 3 tales como el precalentamiento del aire secundario que se introduce en el hogar y los sistemas de inyecci n de vapor seco con el fin de aumentar la turbulencia y facilitar la com busti n en mejora de la eficiencia en la generaci n de vapor Golato et al 2005 La metodolog a de este trabajo permite considerar que la caldera es mixta es decir que puede utilizar uno o dos tipos de combustibles bagazo y o gas natural En caso de que la caldera utilice bagazo o gas natural exclusivamente se omite el t rmino del combustible no utilizado Para los c lculos se adopt la composici n elemental del bagazo propuesta por Hugot 1963 pero corregida en proporci n a la cantidad promedio de cenizas presentes Tabla 3 Cantidad de orificios convenientes para el muestreo de un punto de medici n en funci n de la forma del conducto Forma Pequefio Mediano Circular Grande Conducto E Peque o Rectangular Mediano Grande ET Elo Hasta 203 2 mm 8 De 203 2 a 304 8 mm 8 a
21. ermal efficiency of 76 796 and an index of 9 8 kg of steam Nm of natural gas were obtained For a boiler fired simultaneously with bagasse and natural gas a yield of 68 3 and an index of 1 87 kg of steam kg of equivalent bagasse were recorded To validate this methodology these values were contrasted with the efficiency values obtained in accordance with the American Society of Mechanical Engineers ASME code Key words balances energy boilers yield particulate Secci n Ingenier a y Proyectos Agroindustriales EEAOC ingenieria Veeaoc org ar C tedra de Balances de Masa y Energ a Facultad de Ciencias Exactas y Tecnolog a UNT 117 Revista Industrial y Agr cola de Tucum n 2008 Tomo 85 2 17 31 INTRODUCCI N El objetivo principal de la generaci n de vapor es producir vapor a una presi n mayor a la atmosf rica de manera de aprovechar la energ a que posee en tales con diciones y cubrir las necesidades de la f brica El calor necesario para evaporar el agua proviene de la energ a liberada en el proceso de oxidaci n de un combustible Dicha liberaci n de energ a se manifiesta en forma de calor calor de combusti n y se transfiere al agua por mecanismos de radiaci n convecci n y conducci n La importancia de conocer la eficiencia t rmica con que operan los generadores de vapor tambi n denomi nados calderas radica en evaluar el grado de aprovecha miento de la energ a del combustible para produci
22. gases gases secos calculados lb de gases Ib de combustible Ec 22 Eficiencia energ tica en generadores de vapor 2 Para referir a PCI el valor del rendimiento calculado con el c digo ASME referido a PCS ASME 1964 x PCS m PCI Ec 23 Donde n eficiencia referida a PCI ne eficiencia referida a PCS Tabla 6 Valores promedio desviaci n est ndar y coeficiente de variaci n porcentual de las variables medidas en cada caldera A Caldera con bagazo Merci Promedio Desv est 0 V kg h 50 280 3 100 6 17 pv ata 17 4 0 548 SMS Tv C 311 27 18 425 5 92 CO 96 11 38 0 076 0 67 O 96 8 62 0 076 0 88 CO 96 0 03 0 005 16 79 Pen kg h 17 39 2 5 14 37 Gscr kg h 60 336 5 430 9 00 C scr g kg 8 0 5 6 25 A Entrada 11 72 0 046 2 68 Gases secos kg h 162 585 6 721 3 55 Cc 0 003 0 0003 10 00 Tgas C 304 2 11 426 3 76 tch C 182 4 0 943 0 52 taf C 25 1 2 205 8 78 tac C 205 6 1 608 0 78 tag C 106 34 2 25 2 11 B Caldera con gas natural odas Promedio Desv est 0 V kg h 22 200 462 2 08 pv ata 17 5 0 071 0 4 Tv C 316 9 4 176 1 32 CO 2 96 11 01 0 619 5 63 O 96 1 8 0 076 4 2 CO 96 0 015 0 001 7 4 Pcp kg h desp E X Entrada 1 08 0 038 Sf Gases secos Kg h 29 241 1 269 3 9 Tgas C 316 9 4 43 14 taf C 35 9 0 339 0 94 tag C 106 8 1 614 1 51 GN Nm h 2156 00 84 637 3 93 C Caldera con mezcla de bagazo y gas natural pobre Promedio Desv est m V
23. ldera que quema nicamente bagazo La segunda caldera ensayada quema gas natural y es del tipo compacta acuotubular de 450 m de superfi cie con una producci n nominal de 48 t h a una presi n manom trica de 18 kg cm y una temperatura de vapor de 320 C La instalaci n no dispone de precalentador de aire economizador ni lavador de gases El agua de ali mentaci n proviene del sistema de recuperaci n de con densados de la f brica En el esquema de la Figura 2 se indican los pun tos de medici n de las variables caracter sticas de ope raci n En la Tabla 2 se detallan para cada punto de medici n las variables medidas en f bricas y las deter minadas en laboratorio necesarias para la resoluci n de los balances de masa y energ a para una caldera con gas natural El tercer caso corresponde a la misma caldera del primer ensayo con la diferencia de que en esta oportuni dad la misma procesa dos tipos de combustibles simult neamente bagazo y gas natural y se incluye un punto m s de medici n que es el caudal de gas natural com bustible adicional en Nm h Se efectuaron seis lecturas de los par metros eva luados durante las mediciones completando un total de cinco ensayos en cada caldera con una duraci n de 30 a 40 minutos por ensayo Para el an lisis estad stico de los registros experi mentales se utiliz la desviaci n est ndar como par me Gases de Chineneo ms 4 alimentador
24. olog a permite determinar el cau dal de combustible que ingresa al horno bagazo o gas natural el caudal de aire total el caudal de gases y la tem peratura de los gases a la salida del precalentador de aire Para ello se utiliza la siguiente informaci n composici n qu mica y poder calor fico inferior de los combustibles empleados caudal temperatura y presi n del vapor gene rado temperatura del agua de alimentaci n a la caldera composici n temperatura y caudal de los gases secos de combusti n a la entrada del precalentador de aire y tem peratura del aire fr o Es importante mencionar que esta metodolog a incorporando un centro adicional de balance se emplea con xito para dise ar sistemas de secado de bagazo Paz et al 1998 BIBLIOGRAF A CITADA American Society of Mechanical Engineers ASME 1964 Power Test Code for Steam Generating Units Three Park Avenue New York New York USA Eficiencia energ tica en generadores de vapor Fylstra D L Lasdon J Watson and A Waren 1998 Design and use of the Microsoft Excel Solver Interfaces 28 5 29 55 Golato M A G Aso D Paz y G J C rdenas 2005 Inyecci n de aire secundario caliente en calderas de vapor bagaceras y su influencia en el rendimiento t r mico Rev Ind Agr c de Tucum n 82 1 2 17 25 Hugot E 1963 Manual para ingenieros azucareros Cia Editorial Continental DF M xico Instituto Cubano de Investigaciones de los De
25. por Lb de combustible PCS 3 849 Btu Lb 8 954 kJ kg 43 Carbono 21 62 peso 44 Hidr geno 2 99 peso 45 Ox geno 20 24 peso 46 Nitr geno 0 peso 47 Azufre 0 peso 48 Cenizas 3 14 peso 37 Humedad 52 peso total 100 peso M todo directo 64 Eficiencia output x 100 input Ec 21 yEc 23 40 1 referido a PCS 53 2 referido a PCI 129 Revista Industrial y Agr cola de Tucum n 2008 Tomo 83 2 17 31 Tabla 8 Resultados de c lculo de las variables principales y secundarias para cada caso NEWELNJES Principales Bagazo kg h Gas natural Nm h C AQUA gases Kg h Aire total kg h An kg h Neaera Mica Mhomo 76 Py kg h Secundarias A U ico W m C i kg vapor kg Nm3 de C Variables de validaci n A valor medido Error 96 Gas natural kg h Error 96 Naidera 70 ASME Error 96 Caso A Caso B Caso C 36 516 0 26 326 0 2 266 497 5 28 816 3 339 21 546 156 187 28 438 115 412 0 0 532 76 7 69 7 86 9 99 80 8 90 8 91 4 500 0 06 385 1 67 1 08 1 66 21 86 23 1 38 9 8 1 72 1 72 1 08 2 3 2 8 0 2 156 E 9 3 E 53 2 74 4 z 0 2 9 valor significativo s lo cuando no hay infiltraci n como es el presente caso este valor se obtiene directamente del analizador de gases introduciendo la composici n del combustible por lo que es un buen par metro s lo en los casos en que se quema un solo combustible pero no lo es para el caso de la combu
26. r laboriosos c lculos posteriores En el mercado se hallan disponibles diversos simula dores ICIDCA 2004 para determinar el rendimiento de gene radores de vapor pero generalmente presentan inconvenien tes tales como elevados costos y la necesidad de informaci n que es dif cil de obtener en la industria tal como sucede con aquella relativa al caudal de combustible especialmente cuan do se trata de biomasas El objetivo de este trabajo es presentar la metodolog a que emplea la Secci n Ingenier a y Proyectos Agroindustriales de la Estaci n Experimental Agroindustrial Obispo Colombres EEAOC para la determinaci n de la eficiencia t rmica entre otras variables de generadores de vapor empleados en la industria azucarera Se desarroll un m todo matem tico determin stico basado en los balances de masa y energ a en calderas en estado estacionario que operan con uno o con dos combustibles simult neamente bagazo gas natural o combinaciones de ambos Esta metodolog a permi te determinar el rendimiento del generador tanto en los casos en que se conoce la cantidad de combustible que alimenta al generador como en aquellos donde no se la conoce ya sea operando como combustible nico o en una combinaci n con Eficiencia energ tica en generadores de vapor otro combustible donde s se conoce la cantidad del segundo El rendimiento del generador de vapor se obtiene aplicando el m todo directo Para ello es neces
27. r vapor Adem s se pueden cuantificar las cantidades de calor que ingresan y egresan de una caldera La eficiencia de una instalaci n puede obtenerse del balance de energ as considerando la energ a aprove chada y la energ a entregada po E P rd n 100 0 100 2022 ent ent Ec 1 Donde Eo energ a aprovechada por el fluido de trabajo Een energ a entregada al sistema P rd p rdidas En este m todo la energ a entregada al sistema se considerar como la energ a liberada por el combustible basada en el poder calor fico inferior del combustible y los cr ditos de energ a que ingresan al sistema calor sensible del aire agua y combustible La decisi n de adoptar el poder calor fico inferior y no el superior se debe a que en las cal deras ensayadas el agua escapa por la chimenea en estado gaseoso sin entregar su calor de condensaci n La Ecuaci n 1 propone dos alternativas para la deter minaci n de la eficiencia t rmica el M todo directo y el m todo indirecto En el m todo directo la eficiencia n se define como la relaci n de la energ a aprovechada respecto de la energ a entregada expresada como un porcentaje Kohan 2000 Rein 2007 la energ a aprovechada es la que produce el cambio de estado en el agua y la entregada se considera como la suma de la energ a qu mica del combustible m s los cr ditos es decir v H ac C PCI Cr d E aprov 100 ent n 2 100
28. ral determinado con los instrumentos instalados en l nea Es de gran importancia la localizaci n de los puntos de medici n y muestreo Para la medici n de temperatura y el an lisis de los gases de combusti n se tuvo la precauci n de elegir zonas turbulentas y estancas evitando posibles infiltra ciones de aire en el sector de la medici n Para las mediciones del flujo de gases los puntos de muestreos se situaron aguas arriba de las perturbaciones registros codos placas estrechamientos etc a una distan cia m nima de 2 D para conductos circulares siendo D el di metro del ducto y a L 4 del per metro para conductos rectan gulares siendo L la distancia del lado menor del conducto seg n lo indicado en una publicaci n in dita de la Comisi n Nacional de Energ a de Cuba Respecto a la cantidad de orificios para el punto de muestreo se tuvo en cuenta el tama o del conducto conside rado seg n la Tabla 3 La Tabla 3 fue estructurada en base a la experiencia recogida por personal t cnico del Laboratorio de Mediciones Industriales de la EEAOC y a recomendaciones de la CNE de Cuba Fundamentos del m todo de c lculo La Figura 3 representa en diagrama de bloques un sistema general de un generador de vapor donde pueden observarse las corrientes que ingresan y egresan del mismo Se muestra la entrada de bagazo y gas natural al hogar de la caldera la entrada de aire primario caliente de combusti n proveniente d
29. rivados de la Ca a de Az car ICIDCA 2004 Caldera Versi n 5 0 Manual del usuario Documento in dito ICIDCA La Habana Cuba Kohan A L 2000 Manual de calderas Mc Graw Hill Madrid Espa a Paz D G Aso G J C rdenas y M Octaviano 1998 Optimizaci n del uso de un secadero de bagazo pre existente en un ingenio de azucar de ca a Rev Ind Agr c de Tucum n 75 1 2 31 40 Rein P 2007 Cane Sugar Engineering Bartens Berlin Alemania United States Environmental Protection Agency USEPA 1970 Determination of Particulate Matter Emissions from Stationary Sources En l nea 1 371 442 Disponible en www epa gov ttn emc promgate m 05 pdf consultado 15 abril 2008 131
30. sti n mixta d s lo cuando se quema gas natural como nico combustible la metodolog a utilizada del c digo ASME contempla nicamente el proceso de combusti n con un solo combustible En los casos A caldera con bagazo y B caldera con gas natural se observa una buena correspondencia entre los valores medidos y los valores calculados para el factor de diluci n con errores peque os Para el caso C caldera con bagazo y gas natural el valor informado por el instrumento de medici n 2 30 no es exacto ya que la caldera no que maba nicamente bagazo El A calculado 1 66 tuvo en cuenta la combusti n mixta de bagazo y gas natural Esta metodolog a cuantifica el caudal de bagazo para los casos A y C Para el caso C el caudal de gas natu ral es una variable de entrada Tabla 6 C La validaci n de esta metodolog a con el m todo directo propuesto en el c digo ASME result satisfactoria CONCLUSIONES La metodolog a de c lculo aplicada en la Secci n Ingenier a y Proyectos Agroindustriales de la EEAOC para determinar la eficiencia t rmica de un generador de vapor basada en los balances de materia y energ a es adecua da para sistemas que utilicen un nico combustible o dos simult neamente Como validaci n de esta metodolog a se contrast el valor del rendimiento calculado con el obte 301 nido aplicando el c digo ASME observ ndose desviacio nes poco significativas A su vez la metod
31. total kg h Golato et al 2005 ta temperatura del aire adicional C V producci n de vapor kg h Hv entalp a espec fica del vapor sobrecalentado en funci n de TV y pv kJ kg de tablas de vapor ina entalp a espec fica del agua de alimentaci n en funci n de la temperatura del agua de alimentaci n taa kJ kg de tablas de vapor Ecz calor sensible de la ceniza kJ h Erc calor perdido por radiaci n y convecci n kJ h se obtiene de FIG 8 del c digo ASME 1964 ASME 1964 De este balance se obtiene el rendimiento del horno eficiencia de la combusti n Se incorporan tambi n las siguientes ecuaciones complementarias 1 Para el c lculo del exceso de aire 100x o co 02682N Lo COL exceso de aire Ec 15 2 Para el c lculo del factor de diluci n A 1 exceso de aire Ec 16 3 Para el c lculo del coeficiente global de transmi si n de calor en el calentador de aire Q U A ico ATmlog Ec 17 Donde Q calor de transferencia kJ h de Ecuaci n 12 que incluye las p rdidas de calor al ambiente Aca superficie de transferencia de calor del ICQ ATmlog variaci n de temperatura media logar tmica Como validaci n de esta metodolog a se contrast el valor del rendimiento con el obtenido aplicando el m to do directo del c digo ASME ASME 1964 Para aplicar el c digo ASME se utiliz la tabla ASME Test Form for Abbreviated Efficiency Test
32. ulo por lo tanto est completamente especificado A continuaci n se detallan las ecuaciones de balance formuladas NC n NC NC 7 NC o NC sor NP o Ec 6 GN NC GN CO CH 2 C H 3 C H 4 C H 4 5 C H 6 C H do NC B w 2 C je NC B I w EN C 23 Revista Industrial y Agr cola de Tucum n 2008 Tomo 85 2 17 31 Gas seco Weg co cO sco Gas seco Ca NC snum TM SCR C Ecuaciones de balance 1 Balance de carbono en el sistema Donde NC tomos de carbono por hora en el bagazo con sumido NCan tomos de carbono por hora en el gas natu ral consumido NC tomos de carbono por hora en la ceniza NCscr tomos de carbono por hora en el agua a la salida del scrubber NPen tomos de carbono por hora en la chimenea se asume el material particulado como carbono NCes tomos de carbono por hora en los gases Secos GN caudal de gas natural consumido kmoles h CO s CH C2He 3He C4H 0 C5H 2 C6H 4 fracciones en volumen del GN Tabla 5 B caudal de bagazo consumido kg h we humedad del bagazo 96 base h meda Cs composici n de carbono en bagazo seco en peso Tabla 4 PMc masa at mica del carbono 12 kg k tomo Gasse caudal de gases secos de chimenea kg h valor medido PMaess seco peso molecular de los gases secos CO2 CO ss seco fracci n de volumen del CO y CO en gases secos Tabla 6 Cez contenido de
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