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analisis termodinamico en calderas

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Carlos Canacuan Ramos

on 9 December 2013

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Transcript of analisis termodinamico en calderas

Definición de calderas
Eficiencia en las calderas
Pérdidas de calor en calderas
Aplicación de las calderas en sistemas de potencia de vapor
Clasificación de calderas
DEFINICIÓN
Es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se generará a través de una transferencia de calor en la cual el fluido, originalmente en estado líquido se calienta y cambia de estado.
La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura.

EFICIENCIA
El rendimiento total de una caldera está compuesto de 2 términos:
-
Rendimiento de la Combustión:
La parte de la energía total que está disponible en la cámara de combustión tras el proceso de combustión.
-
Rendimiento del Horno:
Depende del diseño de la caldera y su funcionamiento.
Las ecuaciones de cálculo de rendimiento en la caldera pueden considerar hasta 7 fuentes de pérdidas de calor y requerir hasta 44 datos de entrada.

Análisis Termodinámico
en CALDERAS

CLASIFICACIÓN
Las calderas se clasifican por su diseño en pirotubulares o acuatubulares. Sin embargo, pueden ser clasificadas desde otros aspectos, que incluyen, por el tipo de materiales del que están construidos, por su aplicación, por la forma de toma de aire, por el tipo de combustible que utilizan, por la presión con que operan o por el fluido portador de calor que emplean.
Cuando se desea llevar a cabo la optimización de una caldera, será necesario llevar a cabo un análisis de los gases de combustión, generalmente estos son de 2 tipos: En base seca y base húmeda, donde su diferencia radica en la temperatura en la cual se lleva a cabo (temperatura del punto de rocío).
Si omitimos los factores de menor importancia, el rendimiento se puede calcular:
1. Pérdidas de calor asociada al exceso de aire:
Pérdidas de calor Principales
Se darán a conocer las pérdidas de calor principales que afectan a una caldera, los mecanismos existentes para reducir estas pérdidas y los potenciales ahorros de combustible (dinero) que son posibles de conseguir.
El exceso de aire tiene relación con la cantidad de aire para la combustión que debe ser entregado por sobre el estequiométrico, para lograr una buena mezcla aire/combustible y con ello una buena combustión. La magnitud del exceso de aire requerido por una caldera varía principalmente de acuerdo al tipo de combustible y a la tecnología del quemador.
Del diagrama anterior se puede concluir que:
- Las pérdidas por radiación y a través de la pared son
prácticamente constantes
Las mayores pérdidas se dan a través de la chimenea, donde:
-
Con defecto de aire
==> Se obtienen combustibles inquemados.
-
Con mucho exceso de aire
==> El exceso de Oxígeno y Nitrógeno que lo acompaña son calentados.
La suma de todas las pérdidas proporciona una curva con un punto mínimo, con esta curva se puede optimizar el proceso de combustión dentro de una caldera, para mejorar su rendimiento.
2. Pérdidas de calor asociada al espesor de la capa de hollín
e incrustaciones
En el trabajo continuo de una caldera tanto el hollín como las incrustaciones actúan como aislantes deteriorando el flujo de calor entre los productos de la combustión y el fluido contenido en la caldera. La acumulación de incrustaciones es especialmente crítica ya que trae consigo problemas de refrigeración de las superficies metálicas de una caldera, pudiendo provocar daños catastróficos por sobrecalentamiento.
En los gráficos antes presentados se observa como capas de hollín e incrustaciones de solo un par de milímetros pueden provocar deterioros considerables en la eficiencia de una caldera.
En base a lo observado en estos gráficos, queda de manifiesto la importancia de un buen ajuste de los quemadores y limpiezas periódicas de cámaras de gases para evitar la acumulación de hollín; y por sobretodo contar con excelente tratamiento de agua.

Si se considera ahora una caldera, que posee sus superficies internas y
externas libres de hollín e incrustaciones y que funciona en un rango óptimo de exceso de aire, se presentará entonces una elevada temperatura de salida de los gases de combustión en general. Siendo así es recomendable considerar la instalación de sistemas recuperadores de calor (Regeneración) en la salida de la caldera.
Entre estos sistemas recuperadores de calor se destaca el economizador (o precalentador de agua) y también el precalentador de aire; siendo este útimo utilizado generalmente utilizado en el caso de calderas que utilizan combustibles sólidos.
Para evaluar la instalación de un economizador u otro sistema de recuperación de calor, se deben tomar en cuenta las temperaturas mínimas admisibles de los productos de la combustión, para no alcanzar el punto rocío ácido (temperatura de condensación de ácidos contenidos en los productos de la combustión). Estas temperaturas mínimas admisibles son presentadas, junto a los puntos de rocío de los diferentes combustibles y las temperaturas mínimas del agua de alimentación, en la siguiente tabla:
3. Pérdidas de calor en la Purga
Deben eliminarse de la caldera los productos químicos que se introducen a través del agua de alimentación. No hacerlo puede motivar que el sistema de la caldera sufra la formación de incrustaciones, corrosión, metal agrietado y quebradizo, arrastre de sólidos y espuma.

Por lo tanto, es preciso mantener el equilibrio químico apropiado en el interior de la propia caldera, lo que se consigue mediante el control de purga. Este proceso consiste en activar el mecanismo de la válvula de purga situado en el colector de la caldera y extraer un pequeño porcentaje del agua de la caldera (que contiene sólidos disueltos y sedimentos sin disolver) por debajo de la superficie del agua de la caldera.

Por otro lado, el exceso de purga da lugar a un funcionamiento ineficiente de la caldera, ya que cada purga hace que se pierda el calor contenido en el agua extraída. El coste de combustible puede relacionarse directamente con esta pérdida de calor. También hay que tener en cuenta el coste del agua y el de los productos químicos. Debe alcanzarse un equilibrio entre la necesidad de retirar los sólidos disueltos de la caldera y el funcionamiento eficiente de la misma
Todos aquellos mecanismos tendientes a reducir la cantidad de agua/vapor eliminada a través de la purga de la caldera permitirán conseguir una reducción en las pérdidas de calor asociadas a la purga. Entre estos mecanismos figura un óptimo tratamiento de agua, el uso de purgas continuas (operadas por sistemas control, que incluyen la medición de las características del agua) y ,para el caso de las purgas manuales, contar con operadores capacitados para mantener adecuados parámetros del agua de la caldera. Se estima que un adecuado tratamiento de agua y una buen manejo por parte de los operadores puede traer
consigo ahorros de combustible cercanos al 1 %.

También es posible considerar la incorporación de sistemas recuperadores de calor en los sistemas de purga de una caldera como medio de precalentamiento del agua de reposición en un intercambiador de calor (carcaza/tubos). Este sistema de recuperación de calor podría permitir ahorros de combustible del orden del 1 %,
En el gráfico se observa la relación entre el porcentaje de purga y la reducción de eficiencia, para diferentes presiones de operación de una caldera.

Estos sistemas de recuperación del calor proveniente de la purga son aplicables si el agua de reposición de una caldera supera el 5%
En la figura se observa un sistema de recuperación de calor acoplado a la purga de un conjunto de calderas.
El “vapor flash” generado en el estanque de expansión es conducido al estanque de almacenamiento de agua, como medio de precalentamiento, y el agua o condensado puede ser utilizado para el precalentameinto del agua de reposición en un intercambiador de calor (carcaza/tubos).
4. Pérdidas de calor debido a no contar con un sistema de
precalentamiento del aire requerido para la combustión
El precalentamiento del aire requerido para la combustión es utilizado principalmente en calderas que utilizan combustibles sólidos (carbón. madera, biomasa, etc.), ya que, una mayor temperatura del aire de la combustión permite
obtener una combustión más completa.
5. Pérdidas de calor asociadas a la operación dinámica, puntos
de máxima eficiencia y pérdidas de calor por radiación
En relación a la pérdida de calor por radiación de una caldera, su valor es constante independiente de la carga a la que se encuentre operando, sin embargo, su influencia en la eficiencia varía con la carga de la caldera.

En la tabla se observa la relación entre los ciclos de encendido en una hora y la pérdida de energía asociada.

En esta tabla se observa como aumenta la incidencia (porcentual) de la pérdida de calor por radiación en la eficiencia de la caldera al disminuir la carga; a pesar de que su valor se mantiene contante independiente de la carga.
Este hecho nos lleva a llamar la atención sobre la importancia de operar una caldera en sus puntos de máxima eficiencia, como generalmente ocurre para cargas superiores al 75 %.
Calderas pirotubulares
Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.
Calderas acuatubulares
En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea.
Las pérdidas de calor asociadas a la operación dinámica de una caldera pueden ser considerables y tienen relación con un sobredimensionamiento de la caldera con respecto a la demanda de energía (vapor, agua caliente, etc.). La operación
dinámica de una caldera se refiere a las variaciones de carga y a los ciclos de encendido y apagado que realiza. Lo ideal es que una caldera trabaje en formas continua no apagándose jamás.
Aplicación de las calderas en sistemas de potencia de vapor
Los procesos que toman lugar en ciclos de generación de potencia son lo suficientemente complicados que las idealizaciones son necesarias para desarrollar un modelo termodinámico. En este modelamiento es necesario considerar todos los fundamentos termodinámicos antes estudiados, como los principios de conservación de la masa y de la energía además de la segunda ley.
Resultará entonces atractivo considerar al ciclo Carnott como prospecto de ciclo ideal para esta clase de ciclos de potencia de vapor; mas esta consideración se verá rechazada de acuerdo a las siguientes instancias que se presentan en el ciclo Carnott.
Ciclo Carnott
Se considera un ciclo Carnott ejecutado dentro de la curva de saturación de una sustancia pura:
- El fluido se calienta de manera reversible e Isotérmicamente en una caldera (1-2).
- Se expande Isentrópicamente en una turbina (2-3).
- Se condensa reversible e Isotérmicamente en un condensador (3-4).
- Se condensa de manera Isentrópica mediante un compresor hasta su punto inicial (4-1).
Se observan entonces ciertas situaciones imprácticas:
- Si bien transferencias Isotérmicas de calor se asemejan en gran magnitud a las calderas y condensadores reales, restringir la temperatura máxima que puede utilizarse em el ciclo limita la eficiencia térmica.
- En el proceso de expansión isentrópica, la calidad del vapor disminuye como se evidencia en el diagrama T-s. Y si la turbina maneja vapor con calidades menores al 90%, el choque de las gotas líquidas contra los álabes de la turbina causará erosión y gran desgaste.
- Finalmente el proceso de compresión Isentrópica implicaría una mezcla líquida vapor y su condensación hasta un líquido saturado lo cual no se puede controlar precisamente
Ciclo ideal Rankine
Es posible eliminar muchos de los aspèctos imprácticos asociados con el ciclo Carnott, si el vapor pasa a través de los diferenctes componentes según el modelo de ciclo que se muestra a continuación:

- Proceso (1-2): Expansión Isentrópica en una turbina desde el estado 1 de vapor saturado.
- Proceso (2-3): Transferencia de calor desde el fluido de trabajo a presión constante a través de un condensador, hasta líquido saturado en el estado 3.
- Proceso (3-4): Compresión Isentrópica en una bomba hasta el estado 4 de líquido comprimido.
- Proceso (4-1): Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante mediante una caldera.
Ciclo Rankine
El ciclo ideal Rankine también incluye la posibilidad de supercalentamiento del vapor como se muestra en 1'-2'3-4-1'
Diagrama T-s del ciclo ideal Rankine
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