24/11/2014

El reactor de combustión La combustión en una atmósfera libre puede efectuarse con fines de iluminación, aprovechando la energía luminosa de la llama de difusión, pero con fines de aprovechamiento térmico representa niveles demasiado bajos de aprovechamiento energético, aceptables solamente en el campo artesanal. En actividades industriales, las exigencias de concentración térmica y costos establecen la necesidad de que las reacciones de combustión se efectúen en el interior de un reactor llamado comúnmente hogar o cámara de combustión. El diseño de reactores de combustión obedece principalmente a criterios vinculados al proceso para el cual se genera calor y la forma de transferencia de calor requerida. El diseño de un reactor ideal para asegurar combustión completa podría ser definido en los siguientes términos y/o condiciones:  Longitud : Debiendo alojar la llama y dependiendo ésta del tiempo de reacción de las partículas de carbón, en la medida que se acelere la cinética de la reacción con temperatura y turbulencia, podrá acortarse el tiempo de reacción completa y la longitud de la llama y por tanto, el reactor.

RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN

 Volumen útil : Se podrá acortar la longitud del reactor en la medida que se acorte la llama, pero al hacerlo podría abrirse en forma cónica determinando que el ancho y la altura tengan que ampliarse para evitar el impacto de llama sobre las paredes. En la medida que se logre formar una llama más compacta se podrá reducir el volumen útil requerido de reactor. El impulso rotacional y el difusor cumplen esta función.  Concentración de calor: Un reactor ideal tendría que ser concebido con paredes de material refractario de la mayor reflectividad con capacidad para absorber calor y reflejarlo, manteniéndose en equilibrio térmico. La forma del reactor también presentaría el mejor comportamiento con un diseño cónico o cilíndrico, permitiendo concentrar la mayor cantidad de calor en el centro de la llama.

E. TORRELLA

El reactor de combustión. Tipos

2

El reactor de combustión. Tipos

El proceso de la combustión se realiza en reactores que normalmente dependen del proceso, los equipos más difundidos en la industria son: Hornos y Calderas. 

Hornos rotatorios : En estos reactores de forma cilíndrica la llama se forma a partir de un chorro recto confinado. Este reactor presenta la facilidad de poder alargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared posterior, pero igualmente tendrá que disponer de suficiente impulso total para mantenerla centrada y el diseño del quemador tendrá que permitir la formación de llama cónica para evitar que se abra impactando con las paredes. Los hornos rotatorios circulares presentan un volumen útil más conveniente y ofrecen buenas condiciones de concentración térmica. Las características del proceso influencian la concentración de calor; así existe una gran diferencia entre el comportamiento del material en procesos de hornos de cal (reacción endotérmica) y de clínker para cemento (reacción exotérmica).



Hornos de fundición : En este tipo no hay un diseño ideal, debido a que el material a ser fundido se encuentra en la zona baja y se alojan llamas en un extremo del horno, calentando el material hasta la fusión por transferencia de calor por radiación y en menor medida por convección. El nivel de concentración térmica es alto debido a los niveles de temperatura, pero las pérdidas por radiación en las paredes y el techo también son altas. Una mejora considerable de estos hornos como reactores de combustión se ha logrado incorporando mayor número de quemadores en las paredes y en el techo.



Los hornos de calentamiento presentan características semejantes como reactores de combustión, pero con menores niveles térmicos.



Calderas pirotubulares En los diseños antiguos se utilizaban hogares de combustión de material refractario, orientando su diseño a lograr una combustión completa, aprovechando el calor generado en varios pasos de tubos transfiriendo calor por convección. Las exigencias de optimización energética y de diseño han orientado la tendencia a ubicar la llama en cámaras de agua y ubicar paredes húmedas, que reemplazan los hogares de refractarios por conductos de agua que refrigeran y se calientan simultáneamente. Esta tendencia obliga a optimizar la combustión para asegurar combustión completa, cada vez más difícil por la menor concentración de calor.



Calderas acuotubulares Las cámaras de combustión están formadas por tubos de agua cada vez más compactos, complicando su función como reactores de combustión. Esta tendencia ha obligado a desarrollar quemadores con capacidad para formar llamas cada vez más turbulentas y compactas, lo que se ha logrado creando una zona de menor presión en la zona central de la llama (llama cónica hueca). Las calderas de alta capacidad con grandes cámaras de combustión y un gran número de quemadores se orientan a aprovechar la mayor eficiencia de transferencia de calor por radiación desde la llama a los tubos de agua que forman el reactor, resultando similar su concepto de funcionamiento y aprovechamiento térmico a los aplicados en los hornos de fundición.

E. TORRELLA

3

E. TORRELLA

Horno rotatorio

Horno fundición

Caldera pirotubular

Caldera acuotubular

4

1

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Hornos cerámicos (túnel)

Proceso en un generador térmico

La primera materia base de la industria cerámica es la arcilla,

producto

natural

complejo,

constituido

esencialmente, en proporciones variables, por aluminio y sílice asociadas a cierta cantidad de impurezas, tales como cal, potasio, magnesio, sodio y óxido de hierro. La diferencia entre los productos obtenidos proviene, en parte, t de d la l composición i ió de d la l arcilla ill de d base b y, en parte, de los procesos y temperaturas de cocción. A menudo se precisa una mezcla previa de tierras de diferentes procedencias para mantener constantes las características de un producto. Si no dispone de un comestible limpio, tendrá que optarse por el calentamiento indirecto, con las perdidas termodinámicas correspondientes.

E. TORRELLA

5

Balance en un generador térmico

E. TORRELLA

6

Balance en un generador térmico Para conocer el rendimiento del proceso de combustión aplicaremos un balance energético.

Balance en un generador térmico

Para ello deberemos de tener en cuenta el recinto en el que la combustión se produce y los

 Una cierta potencia se suministra a través del quemador, esta es la potencia absorbida, consumida o de entrada. Los productos de combustión salen por la chimenea llevando una cierta cantidad de calor por unidad de tiempo (pérdidas por los productos de combustión), estas perdidas son debidas tanto al calor sensible de los humos h mos como al latente de los inquemados que aquellos contengan.

flujos de masa y energéticos que lo atraviesan. Qpérdidas Qsensible combustible Qcombustión (PCI) Qentrada Qaire,comburente Qfluido ó carga entrada 

 El aparato térmico tiene otras perdidas que pueden ser agrupadas bajo el término de pérdidas por las paredes, purgas y pérdidas diversas, de las que las producidas a través de las paredes son parte esencial.  Deducidas todas las pérdidas de la potencia suministrada se obtiene la potencia útil o de salida. Este es el valor que sirve efectivamente para definir la potencia del equipo.

Qgases combustión Qpurgas Qinquemados Qradiación,convección

Qfluido ó carga salida

En la que la potencia útil sería: Qfluido ó carga salida ‐ Qfluido ó carga entrada , y la potencia aportada sería: Qcombustión (PCI) + Qaire,comburente + Qsensible combustible . Por tanto:

Qaportada  Qútil  Qpérdidas E. TORRELLA

7

E. TORRELLA

8

2

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Concepto de Rendimiento

El concepto de rendimiento es la relación entre la potencia obtenida como efecto útil y la necesaria para su obtención, es decir:

R

Qp Qu Qa  Q p   1 Qa Qa Qa

PERDIDAS EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN

La definición del rendimiento y su obtención no presentan dificultad de tipo conceptual, sin embargo en ella están incluidas unas especificaciones que pueden acarrear fuertes variaciones en los valores obtenidos, este es el caso del nivel de referencia escogido.

E. TORRELLA

9

E. TORRELLA

10

Tipos de pérdidas en generadores de calor Las principales pérdidas en un equipo de generación de calor son:  Pérdidas en los productos de combustión.  Pérdidas por inquemados.  Pérdidas Pé did por paredes. d  Otras pérdidas.

E. TORRELLA

11

E. TORRELLA

12

3

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Clasificación de pérdidas en los productos de combustión.

Pérdida asociada al exceso de aire

El concepto de “exceso de aire” tiene relación con la cantidad de aire para la combustión que

Las pérdidas por este concepto pueden subdividirse en:

debe ser aportado respecto a la necesaria en combustión estequiométrica, este superávit tienen

 Pérdidas en humos secos.

como objetivo lograr una buena mezcla aire/combustible y con ello una buena combustión. La

 Pérdidas debidas al agua formada y a la contenida inicialmente en el combustible.

magnitud del exceso de aire requerido por una generador térmico varía principalmente con el

 Pérdidas en cenizas, en forma de calor sensible.

tipo de combustible y la tecnología del quemador.

 Pérdidas debidas al agua aportada por el aire de combustión.

E. TORRELLA

13

Exceso de aire Comentarios

E. TORRELLA

14

Influencia del exceso de aire

Para obtener una combustión completa se requiere un exceso de aire, que depende de: el combustible, y de la homogeneidad de la mezcla combustible comburente que

COMBUSTIBLE

FACTOR DE AIRE

se consiga en el quemador.

SÓLIDO

1.5 ÷ 2

El exceso de aire no es deseable, es una

LÍQUIDO

1.1 ÷ 2

masa que absorbe calor y disminuye la Tª

GAS

1 ÷ 1.1

final y el nivel energético. Dependiendo del tipo de combustible, se recomienda un valor para el coeficiente de exceso de aire: E. TORRELLA

15

E. TORRELLA

16

4

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Exceso de aire Comentarios

Exceso de aire. Valores

El máximo de rendimiento ideal se produce cerca del punto estequiométrico; en realidad se produce a un nivel un poco más elevado de exceso de aire.

COMBUSTIBLE

La pérdida de eficiencia a la derecha del máximo se produce por un temperatura de estos gases que acompañan al exceso de aire.

Gas Natural

Petróleo

Atomizado por presión Copa rotativa Atomizado con vapor o aire

Carbón

Parrilla móvil Parrilla fija Pulverizado

noptt > 1

L pérdida La é did de d eficiencia fi i i (rendimiento) ( di i t ) en la l izquierda i i d del d l máximo á i se debe a la combustión incompleta del combustible. También se aprecia la relación entre el exceso de aire y la concentración de CO. El máximo de eficiencia usualmente se produce con una concentración de CO en los humos generalmente inferior a 300 ppm. Una concentración de CO de unos 1.000 ppm resultará en una pérdida de eficiencia de alrededor del 0,5 %.

E. TORRELLA

17

Influencia del exceso de aire Ejemplo de calderas

65 % 45 % 10 % 1% 15 % 22 - 35 % 8 - 15 % 36 % 36 % 8%

E. TORRELLA

18

Se calculan en función de la entalpía de los mismos en las condiciones de salida, por unidad de

PÉRDIDAS POR EXCESO DE AIRE

caudal másico o volumétrico de combustible:

0,95 RENDIMIENTO DE LA CAL LDERA

EXCESO DE AIRE MÍNIMO

Pérdidas en humos secos

1

PHS  hHS Tr  Ts

Petróleo residual

0,9

Gas natural

0,85

      

0,8 0,75 0,7 Temperatura salida de humos de 220ºC 0,65 0,6 1

E. TORRELLA

TIPO DE QUEMADOR Atmosférico Tipo Anillo Boquillas B j exceso de Bajo d aire i

incremento del caudal de gases en la chimenea y el incremento en la

1,2

1,4

1,6

1,8 FACTOR DE AIRE

2

2,2

2,4

2,6

19

E. TORRELLA

 h )

Ts k Tr

  Vk c pk (Ts  Tr )  VHS c pm (Ts  Tr )

“hHS” = variación de la entalpía de humos secos. “hk” = variación de entalpía del componente "k" de humos secos. Vk = Volumen del componente "k". cpk = calor especifico medio del componente "k" entre Tr y Ts. VHS= Volumen de humos secos. cpm = calor específico medio de humos secos entre Tr y Ts. En general, el estado de referencia se considera a presión atmosférica y temperatura ambiente (15ºC). 20

5

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Pérdidas en humos secos

Calores específicos humos [0 ÷ 1200ºC]

PÉRDIDAS POR TEMPERATURA DEHUMOS 1,000

Kcal/kgºC

Kcal/m3NºC

H2

COMPONENTE

3,5670

0,3208

N2

0,2713

0,3392

0,850

O2

0,2510

0,3584

0,800

CO

0,2745

0,3430

0,750

CO2

0,2754

0,5407

RENDIMIENTO DE LA CAL LDERA

0,950 Petróleo residual

0,900

Gas natural

0,700 Factor de aire para el petróleo 1,5 Factor de aire para el gas natural 1,05

0,650 0,600 150

200

250 300 350 TEMPERATURA DE HUMOS [ºC]

400

21

Calores específicos humos [0 ÷ 200ºC]

Kcal/m3NºC

H2

3,4444

0,3098

0,3422

0,1910

0,5460

H2O

0,5280

0,4244

E. TORRELLA

22

Calor sensible en humos

700 Kcal/kgºC

0,2657

SO2 450

E. TORRELLA

COMPONENTE

Aire

Kcal/m3

Kcal/kg

600

CO2

500

N2

0,2492

0,3114

O2

0,2234

0,3189

400

CO

0,2499

0,3122

300

CO2

0,2174

0,4269

200

Aire

0,2650

0,3122

SO2

0,1580

0,4510

H2O

0,4523

0,3636

H2O CO O2 N2

600 500 400 300 200 100

100 0

700

0

200

400

600

800

1000

0 1200

°C E. TORRELLA

23

E. TORRELLA

24

6

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Calor específico Expresión analítica

Calor sensible en humos

200

Kcal/kg

Kcal/m3

Los calores específicos pueden representarse mediante expresiones polinómicas del tipo:I

200

cp  a  bT  c T 2 150

150

100

O2

H2O

CO2

CO y N2

50 0

Siendo el valor medio entre una temperatura “T0” y otra de valor “T”

100

c p ,medio  a  0.5 b T  T0   0,333 c T 2  T T0  T02 

50

0

100

200

0 400

300

°C E. TORRELLA

25

Calor específico Valores de las constantes

Pérdidas debidas al agua formada y a la contenida inicialmente el combustible

Comp AIRE

a kJ/kmol K 26.719

b 103 kJ/kmol K2 7.372

c 106 kJ/kmol K3 -11.113

M kg/kmol 28.964

N2

27.016

5.811

-0.2887

28.01

O2

25.593

13.251

-4.205

32.

H2O

29.857

11.046

0.192

18.02

SO2

31.163

33.394

-10.752

64.02

CO2

27.286

38.469

-11.262

44.05

CO

26.568

7.577

-1.119

28.01

NO

26.945

11.255

-1.76

30.01

H2

29.062

-0.82

1.99

2.016

CH4

13.405

77.027

-18.744

16.04

E. TORRELLA

E. TORRELLA

En este caso se calcula mediante la expresión:

PH 2O  VH 2O Tr  c pH 2O Ts  Tr  •

27

siendo: •

VH2O = volumen de agua en humos por unidad de masa o volumen de combustible, debido al porcentaje contenido en el combustible y a la formación de esta durante el proceso de combustión.

•

“Tr” = calor latente de vaporización a la temperatura de referencia (aproximadamente 600 Kcal/Kg de agua).

•

cpH2O= calor especifico medio a presión del vapor de agua entre Tr y Ts

E. TORRELLA

28

7

24/11/2014

Pérdidas en cenizas en forma de calor sensible

Pérdidas debidas al agua aportada por el aire de combustión

En este caso, la potencia que esto supone por unidad de combustible es:

Este término se calcula como:

Pa  n Va w' c pH 2O (Ts  Tr )

Pcz  mcz c pcz (Ts  Tr ) •

•

•

en la que: •

mcz = porcentaje en peso de las cenizas en el combustible.

•

cpcz = calor especifico medio de las cenizas entre Tr y Ts.

siendo: •

n Va = volumen de aire introducido en la combustión.

•

w’ = humedad especifica del aire.

•

CpH2O = calor especifico.

La temperatura de salida de las cenizas no tiene que ser necesariamente igual a la de salida de gases.

E. TORRELLA

29

Pérdidas por inquemados

E. TORRELLA

Pérdidas por inquemados gaseosos

Los inquemados gaseosos detectados en humos son monóxido de carbono, hidrógeno e

Las pérdidas por inquemados, en los productos de

hidrocarburos, es decir CO, H2 y CnHm, cada uno de los cuales posee un poder calorífico (o

combustión, también pueden desglosarse en:

capacidad calorífica) que ocasionaría, al producirse su oxidación, un aporte de calor. Por lo que la pérdida es de:

Pérdidas Pé did por inquemados i d gaseosos.

Pig  VolCO QCO  VolH 2 QH 2  VolCnHm QCnHm

Pérdidas por inquemados sólidos

Los valores de los calores desarrollados por la unidad de volumen de estos componentes son: Kcal/m3N

E. TORRELLA

30

31

H2

CO

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8

C4H10

CnHm

PCS

3050

3020

9530

15180

16860

22430

24350

32060

26000

PCI

2570

3020

8570

14200

15390

20960

22380

29560

23400

E. TORRELLA

32

8

24/11/2014

Pérdidas por inquemados sólidos

Los inquemados sólidos pueden encontrarse en forma de partículas arrastradas por los humos de combustión o en el residuo sólido. En caso de producirse una combustión reductora con n1 < nc, la masa de carbono ha sido calculada, definiéndose como “mc“(g. de carbono por unidad de combustible), y dada la capacidad calorífica del carbono (8100 Kcal/kg), la pérdida se expresa como:

Pis ( Kcal / h unidad comb.)  8,1 mc

E. TORRELLA

33

Pérdidas por inquemados sólidos Incrustaciones externas

E. TORRELLA

34

Pérdidas por incrustaciones internas

PÉRDIDAS POR HOLLIN (LADO DE FUEGO‐HUMOS)

PÉRDIDAS POR INCRUSTACIONES (LADO DEL AGUA)

1

1 0,95 Petróleo residual

0,9

RENDIMIENTO DE LA CAL LDERA

RENDIMIENTO DE LA CAL LDERA

0,95

0,85 0,8 0,75 0,7 0,65

0,85 0,8 0,75 0,7 0,65

0,6

0,6 0

E. TORRELLA

Petróleo residual

0,9

0,5

1

1,5 ESPESOR [mm]

2

2,5

3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

ESPESOR [mm]

35

E. TORRELLA

36

9

24/11/2014

Pérdidas por purgas

Pérdidas por radiación

PÉRDIDAS POR PURGAS

La importante pérdida de energía asociada a los ciclos de encendido/apagado tiene relación con

1

RENDIMIENTO DE LA CAL LDERA

la pérdida de calor por radiación y la pérdida de calor asociada al aire que pasa a través de la

1 BAR

0,95

caldera durante la ventilación que forma parte de cada secuencia de encendido de un

0,9

13,8 BAR

0,85

137,8 BAR

quemador, así como también, el aire que pasa a través de la caldera cuando esta está detenido debido a la acción del tiraje natural del equipo.

0,8

En relación a la pérdida de calor por radiación de una caldera, su valor es constante

0,75

independiente de la carga a la que se encuentre operando, sin embargo, su influencia en la

0,7

PURGA = MASA PURGA/MASA DE VAPOR

eficiencia varía con la carga de la caldera.

0,65

Este hecho nos lleva a llamar la atención sobre la importancia de operar una caldera en sus

0,6 0

5

10

15

20

25

puntos de máxima eficiencia, como generalmente ocurre para cargas superiores al 75 %.

PURGA [%]

E. TORRELLA

37

Pérdidas por radiación

38

Pérdidas por paredes

PÉRDIDAS POR RADIACIÓN según la ABMA (American Boiler Manufacturing Association)

Las pérdidas a que se refiere este apartado se producen por

7

termotransferencia a través de las fronteras del equipo.

6 PÉRDIDAS POR RADIACIÓN N [%]

E. TORRELLA

Pueden ser evaluadas:

5 4

Por teoría de transmisión de calor.

3

Por medición en funcionamiento.

2 1

Por diferencia en el balance térmico.

0 0

E. TORRELLA

10

20

30

40 50 60 70 POTENCIA CALDERA * 105 [Kcal/h]

80

90

100

39

E. TORRELLA

40

10

24/11/2014

Orden de magnitud de las pérdidas PÉRDIDA

%

Humos secos

Consideraciones

COMENTARIOS

La pérdida en humos secos depende de la temperatura de salida, la cual se intenta reducir todo lo posible sin

6 ÷ 12

Cenizas

~3 ~ 0.5

Agua del aire

alcanzar el punto de rocío ácido de humos. Hogar de cenizas fundidas

No se han indicado las pérdidas debidas a la formación de agua, puesto que normalmente se utiliza como

Resto

referencia el PCI de combustible, por lo que sólo debe tomarse en consideración el calentamiento sensible del

0.1 ÷ 2

Inquemados sólidos

vapor de agua que contienen los humos. humos

1÷2

Por paredes

2÷4

Tanto mayor a menor carga

La presencia de inquemados gaseosos tiende a evitarse en lo posible, aún a costa de aumentar el factor de aire, esto se debe que el montante de esta pérdida crece rápidamente con la cantidad de inquemados gaseosos; así,

Humos secos

sólo un 1% de CO provoca una pérdida de rendimiento de un 3%. Por otra parte la presencia de inquemados en cantidad importante puede producir combustión en chimenea. Un aumento del factor de aire provoca dos efectos contrapuestos sobre el rendimiento; por un lado aumenta la pérdida en humos y por otro posibilita la combustión completa disminuyendo la tasa de inquemados. Agua del aire

Paredes Cenizas

E. TORRELLA

Inquemados

41

Certificación energética

E. TORRELLA

42

Efecto del precalentamiento de aire

Recuperación de calor Entalpía aire comburente Entalpía combustible

Pérdidas en humos h Energía útil

Energía liberada en combustión

Energía química del combustible (PC) Pérdidas paredes Perdidas por inquemados

E. TORRELLA

43

E. TORRELLA

Inquemados sólidos Inquemados gaseosos

44

11

24/11/2014

Efecto del precalentamiento de aire

Efecto del precalentamiento de aire

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DEL AIRE

El precalentamiento del aire requerido para la combustión es utilizado principalmente en calderas que

1

utilizan combustibles sólidos (carbón. madera, biomasa, etc.), ya que, una mayor temperatura del aire de la combustión permite obtener una combustión más completa. El precalentamiento del aire de

0,95 RENDIMIENTO DE LA CAL LDERA

COMBUSTIBLE = RESIDUOS DE MADERA

combustión (también el eventual precalentamiento de combustible gaseoso) puede dar lugar a los

0,9

siguientes g efectos:

0,85

 Incremento de la temperatura teórica de combustión. La mayor temperatura del aire para la combustión traerá consigo temperaturas de llama más altas y con ello un aumento en la formación de óxidos de nitrógeno.

0,8 0,75

 Reducción del consumo de combustible y por tanto incremento del rendimiento.

0,7

 Mejora de la combustión por disminución de las pérdidas por inquemados y funcionamiento con un factor reducido de aire.

0,65

 Intensificación de la transmisión de calor y por tanto del efecto útil.

0,6 0

50

100 150 200 250 TEMPERATURA DEL AIRE DE COMBUSTIÓN [ºC]

300

350

E. TORRELLA

 Incremento de las pérdidas de carga en los circuitos de aire y humos. 45

Efecto del precalentamiento de aire

E. TORRELLA

Efecto del precalentamiento de aire E1 consumo "mo" en caso de no existir precalentamiento seria de:

El consumo de combustible en un equipo térmico con recalentamiento de aire puede calcularse, en caso de combustión completa, como:

mo 

Pu  Pp  m PCI  H a  VH hs  siendo:

m

46

•

Pu  Pp PCI  H a  VH hs

 Pu = Potencia útil.

•

 Pp = Potencia por paredes.

Pu  Pp PCI  VH hs

Las potencias suministradas en ambos casos son las de entrada, es decir: – P = m . PCI – Po = mo . PCI La economía de potencia calorífica es de:

 m = consumo de combustible.  PCI = poder calorífico inferior (eventualmente corregido por presencia de inquemados en caso de combustión incompleta).

  P m   PCI mo  m  Po  P  Po 1    Po 1  P m o  o   

 “ha” = calor aportado al hogar por el aire precalentado (por unidad de combustible).  hs = entalpía de 1m3 de humos a la temperatura de salida después del precalentamiento.

•

 VH = volumen de humos húmedos por unidad de combustible (con un factor de aire “n”). E. TORRELLA

47

Podemos deducir que el empleo de aire precalentado puede ser muy ventajoso, incluso en algún caso es deseable llevarlo a cabo con medios E. TORRELLA independientes al mismo equipo térmico.

48

12

24/11/2014

Efecto del precalentamiento de aire Grado de utilización de humos

Efecto del precalentamiento de aire Aumento en temperatura de combustión

El grado de utilización del calor suministrado por los humos es de:

GU 

n Va h p Vh hs

Inicialmente el fin del precalentamiento del aire de combustión no era otro que aumentar la

H a  Vh hs

temperatura en el hogar. Cuando se emplean combustibles de bajo poder calorífico, incapaces de alcanzar la temperatura necesaria, el precalentamiento es condición indispensable para el desarrollo normal del proceso tecnológico.

•

siendo hp la entalpía de 1m3 de aire introducido a la temperatura de precalentamiento Tp (evidentemente Tp < Ts). En la practica, los valores del grado de utilización GU son: – Para combustibles de alto poder calorífico (fuel, gas natural). GU = 0,85 a 0,95 – Para combustibles de bajo poder calorífico (gases manufacturados) GU = 0,5 a 0,6

•

E. TORRELLA

La temperatura real de los productos de combustión “Ts” se determina, en función de la temperatura teórica de combustión “Tt” mediante el rendimiento pirométrico:

Rp  •

49

Efecto del precalentamiento de aire Aumento en temperatura de combustión

50

La temperatura real “Ts” de los gases en la cámara de combustión puede obtenerse si seHconocen las pérdidas por unidad de combustible.

Q  PCI  H a 

siendo: – Qdis = calor absorbido por las reacciones de disociación, por unidad de combustible. – cpm = calor especifico medio de los humos entre 0 y Tt. Teniendo en cuenta que la entalpía de los gases de combustión, por unidad de combustible y con un factor "n" de aire, es de:

H  VH c pm T E. TORRELLA

E. TORRELLA

Puede determinarse la temperatura teórica en un diagrama H-T ó h-T.

PCI  H a  Qdis Tt  VH c pm

•

siendo el valor de este rendimiento función del equipo y de las condiciones de funcionamiento.

Efecto del precalentamiento de aire Aumento en temperatura de combustión

En caso de precalentamiento de aire, la temperatura teórica “Tt”, se obtiene mediante:

•

Ts Tt

Pu  Pp m

Qp

Q

h  c pm T 51

E. TORRELLA

Ts

T't TS

Tt

T

52

13

24/11/2014

Efecto del precalentamiento de aire Economía de combustible (I)

Efecto del precalentamiento de aire Economía de combustible (II)

El precalentamiento de aire de combustión proporciona una economía de

La economía de combustible es

combustible, con respecto a la combustión con aire ambiental, cuyo ahorro relativo es de:

•

A' %   100

m m H a A %   100 o  100 mo PCI  Vh hs  H a

Pu  Pp

H a  n Va h p

PCI  VH hs

A'  100

El empleo de precalentamiento puede, por otra parte, asociar a la combustión un factor de aire n’, distinto al de la combustión en frío, con lo que el consumo pasa a ser de:

m' 

Pu  Pp

n Va h p  n'n  hs  h p  Va

 100

PCI  n Va h p  n' n  hs  h p  Va  VH hs

V 'H  VH  n'n  Va 53

Efecto del precalentamiento de aire Economía de combustible (III)

E. TORRELLA

En primer lugar expresemos el rendimiento, el cual como se dijo, viene dado por:

factor de aire puede producirse un aumento de la temperatura de combustión que sobrepase el

Potencia útil  Pérdidas en equipo  Caudal calorífico Caudal calorífico  Potencia aportada al aire  Pérdidas en humos  Caudal d l calorífico l íf Rc 

valor admitido por la carga, en estos caso es necesario aumentar el exceso de aire n’ (n’ > n). En caso de ser admisible el aumento de temperatura que supone el precalentamiento, precalentamiento el

Pu Pu  m PCI mo PCI 1  0,01 A

rendimiento térmico delRequipo u  es de:

•

E. TORRELLA

54

Determinación del rendimiento

Si n’ < n la economía de combustible A’ > A, sin embargo en algunos casos al descender el

•

PCI  n' Va h p  VH  n'n  hs   Pu  Pp PCI  VH hs

PCI  n' Va hp  V 'H hs

E. TORRELLA



mo  m mo Pu  Pp

Rc  1 

De lo que se deduce que el rendimiento útil aumenta con el crecimiento del ahorro de combustible, además la potencia útil también aumenta ya que al incrementarse la temperatura sube la tasa de transmisión de calor por radiación. Debe indicarse que un aumento de la temperatura implica, como ya se vio, un incremento de la velocidad con que se produce la reacción. Por otra parte, el precalentamiento obliga a disponer un equipo recuperador de calor en el circuito del aire, por lo que las pérdidas de carga en este circuito aumentan.

•

55

E. TORRELLA

m H a m VH hs H a VH hs   1  m PCI m PCI PCI PCI

con: – ha = n Va hp = entalpía especifica (por unidad de combustible) del aire de combustión. – VH = volumen de humos por unidad de combustible. 56

14

24/11/2014

Determinación del rendimiento. Combustión neutra o estequiométrica (n = n1= 1; n2 = 0)

Determinación del rendimiento Rc  1 

m H a m VH hs H a VH hs   1  m PCI m PCI PCI PCI

Denominando:

Desarrollando los términos anteriores, suponiendo que la temperatura de referencia es la ambiental y

F = Vg/PCI (en este caso Vg = Vh).

un valor "n".

H a  n Va h p  n Va c ppa T p  Tr   n Va c ppa  p

V H hs  V g c pm Ts  Tr   n 2 Va c' pa Ts  Tr   V g c pm  s  n2 Va c' pa  s •

con – cpa = calor especifico medio del aire entre Tp y la temperatura ambiental (Tr). – c’pa = calor especifico medio del aire entre Tr y Ts. – Vg = volumen de humos procedentes de la combustión completa.

Rc  1 

n Va c pa  p

E. TORRELLA

PCI



Vg c pm s PCI

 n2

escribirse como: RCo  1  G c pa  p  F c pm s

Va c ' pa s PCI

57

si la temperatura de salida de humos fuese la ambiente (s = Ts - Tr = 0):

En este caso la expresión del rendimiento incluye el

RCo  1

•

deduciéndose un valor de s:

58

Con precalentamiento de aire (Tp = Tr; p = 0

RCo  1  F c pm s

por otra parte, el rendimiento se anulará para:

E. TORRELLA

Determinación del rendimiento. Combustión neutra o estequiométrica (n = n1= 1; n2 = 0)

Sin precalentamiento de aire (Tp = Tr; p = 0)

•

Podemos observar que tanto "F" como "G" son constantes, características de un combustible dado. E1 rendimiento puede

Determinación del rendimiento. Combustión neutra o estequiométrica (n = n1= 1; n2 = 0)

•

G = Va/PCI. Va/PCI

té i "G cp p". término "

0  1  F c pm s

s  • E. TORRELLA

1 1 PCI   Vg F c pm Vg c pm c pm PCI

es decir, la temperatura teórica o adiabática de combustión (con referencia a la temperatura ambiente). 59

E. TORRELLA

60

15

24/11/2014

Determinación del rendimiento. Combustión neutra o estequiométrica (n = n1= 1; n2 = 0)

Determinación del rendimiento. Combustión oxidante (n1 =1; n2 > 0); n = n1 + n2 = 1+ n2) E1 rendimiento es en este caso de:

Rc

RC  1  G c pa n  p  F c pm s  n2 G c' pa s   1  F c pm s  G c pa  p  n2 G (c' pa s  c pa  p )

1

Con precalentamiento

•

R  G n 2 (c ' pa  s  c pa  p )  G n 2 c" pa ( s   p )

Sin precalentamiento

Rc ( p 0) Rc ( p =0)

y definiendo como "R",, la pérdida p asociada al factor de aire “n2”:

con c"pa = calor especifico medio entre Tr y la temperatura media ((Ts +Tp/2). Sin precalentamiento:

R  G n2 c" pa s s

adiab.

•



E. TORRELLA

61

Rco Rc

n2)III 2

E. TORRELLA

de combustión, ahora vamos a estudiar la combustión reductora en la que aquellos hacen acto de presencia. Sin embargo, sólo vamos a tener en cuenta la presencia de inquemados gaseosos (CO, H2), es decir suponemos n1> nc. Recordemos que en este caso existían:  x = volumen de H2 en m3 N.  z = volumen de CO en m3 N.

1

Por lo que el calor suministrado por unidad de combustible es ahora de:

n2)II

PCI '  PCI  x QH 2  z QCO

n2)I

R s -  p

62

Hasta ahora se han considerado los casos en los que no existían inquemados en los productos

Dada una combustión oxidante y conocidos los valores de “s” y “p” (en el caso dibujado p 0) y n2, puede situarse el punto "1" (con s y la estequiométrica de p), este punto tiene como ordenada el valor Roc. Por otra pparte,, con ((s - p) y "n2" se sitúa el ppunto "2" cuya y ordenada es “R”. La diferencia de ordenadas proporciona el valor del rendimiento de combustión oxidante "Rc".

1

En cualquier caso (con o sin precalentamiento), la pérdida de rendimiento debida al factor "n2", sobre el diagrama R - , es una recta que pasa por el origen y cuya pendiente depende del valor de "n2".

Determinación del rendimiento. Combustión reductora (n2 = 0; n = n1)

Determinación del rendimiento. Combustión oxidante (n1 =1; n2 > 0); n = n1 + n2 = 1+ n2)

Rc

E. TORRELLA

Rc  Rco  R

lo que supone una corrección del poder calorífico del combustible s



63

E. TORRELLA

64

16

24/11/2014

Determinación del rendimiento. Combustión reductora (n2 = 0; n = n1)

Determinación del rendimiento. Combustión reductora (n2 = 0; n = n1)

El rendimiento pasa a ser:

R 'c  1  con

R 'c  1 

H a V hs  PCI ' PCI '

Vg Va V c pm s  a (1  n1 ) 0,79 c pNH 2 s n1 c pa  p  PCI ' PCI ' PCI '

notando:  - d = 1 – n1 (defecto de aire).

H a  n1 Va h p  n1 Va c pa  p

 - F’ = Vg/PCI’  - G’ = Va/PCI’

V hs  Vg c pm s  Va (1  n1 ) 0,79 c pNH 2 s

en donde F’ y G’ no son características del combustible.

ya que:

RC'  1  G ' c pa n1  p  F ' c pm  s  G ' (1  n1 ) 0,79 c pN 2  s 

VH  Vg  0,79 * 1 * Va  0,79 n1 Va  Vg  0,79 Va (1  n1 ) R 'c  1  E. TORRELLA

Vg Va V c pm s  a (1  n1 ) 0,79 c pNH 2 s n1 c pa  p  PCI ' PCI ' PCI '

 1  G ' (1  d ) c pa  p  F ' c pm  s  G ' d 0,79 c pN 2  s   1  F ' c pm  s  G c pa  p  G ' d (c pa  p  0,79 c pN 2  s ) 65

Determinación del rendimiento. Combustión reductora (n2 = 0; n = n1)

E. TORRELLA

Determinación del rendimiento. Combustión reductora (n2 = 0; n = n1)

RC'  1  G ' c pa n1  p  F ' c pm  s  G ' (1  n1 ) 0,79 c pN 2  s 

En el caso general, tanto F’ como G’ no son constantes para un combustible dado, sino que dependen de 1os valores de "n1" (o de “d”) y de la temperatura (a través de “K”), la

 1  G ' (1  d ) c pa  p  F ' c pm  s  G ' d 0,79 c pN 2  s 

variación de este último factor no es demasiado significativa, por lo que suele eliminarse

 1  F ' c pm  s  G c pa  p  G ' d (c pa  p  0,79 c pN 2  s )

considerando el valor de "K" a una temperatura genérica (del orden de 1200 ºC).  Combustión sin precalentamiento de aire (p = 0)

Vemos que si el defecto de aire es nulo (d = 0; n1 =1), =1) estamos ante una combustión neutra, neutra por tanto: 

F’ = F



G’ = G

RC'  1  F ' c pm  s  G ' d 0,79 c pN 2  s  1   s ( F ' c pm  G ' d 0,79 c pN 2 ) – Combustión con precalentamiento de aire (p = 0)

RC'  1   s ( F ' c pm  G ' d 0,79 c pN 2 )  G ' (1  d ) c pa  p

y el rendimiento:

RC'  1  F c pm  s  G c pa  p  Rco

66

(C .N .)

y llamando: ((incremento de rendimiento debido al precalentamiento)

R '  G ' (1  d ) c pa  p E. TORRELLA

67

E. TORRELLA

Rc'  Rc' ( p  0)  R ' 68

17

24/11/2014

Determinación del rendimiento. Combustión reductora (n2 = 0; n = n1) De cara a su representación gráfica, el rendimiento de la combustión sin precalentamiento se representa como una familia de líneas (prácticamente rectas) parametrizadas en función del defecto de aire, mientras que R’ es una familia de rectas que pasan por el origen y cuya pendiente es función de n1 (1 - d).

Rc

R'c ( p 0)

Determinación del rendimiento. Combustión mixta (n2 > 0; nc < n1; n = n1 + n2)

R' Rco ( p = 0)

La diferencia con el caso anterior estriba en la presencia humos de oxigeno, especie oxidante. En este caso:

H a  n Va h p  (n1  n2 ) Va c pa  p V hs  Vg c pm s  Va (1  n1 ) 0,79 c pN 2 s  n2 Va c' pa s y el rendimiento:

R"C  1  F ' c pm  s  G ( n1  n 2 ) c pa  s  G ' 0,79 c pN 2 s s (1  n1 )  G ' n 2 c 'pa  s R' p

E. TORRELLA



69

Determinación del rendimiento. Combustión mixta (n2 > 0; nc < n1; n = n1 + n2)

E. TORRELLA

70

Determinación del rendimiento. Combustión mixta (n2 > 0; nc < n1; n = n1 + n2) R"C  1  F ' c pm  s  G ' (1  d  n 2 ) c pa  p  G ' 0,79 c pN 2  s  n 2 G ' c 'pa  s   1  F ' c pm  s  G ' c pa  p  G ' n2 (c' pa  s  c pa  p )  G ' d (c pa p  0,79 c pN 2  s )

R"C  1  F ' c pm  s  G ( n1  n 2 ) c pa  s  G ' 0,79 c pN 2 s s (1  n1 )  G ' n 2 c 'pa  s

y llamando:



(1 – n1) = d



n1 + n2 = 1 – d + n2

R"C  1  F ' c pm  s  G ' (1  d  n 2 ) c pa  p  G ' 0,79 c pN 2  s  n 2 G ' c



R"1 ( n 2 )  G ' n2 (c ' pa  s  c pa  p )  G ' n2 c" pa ( s   p )

y dado qque:



R"2 ( d )  G ' d (c pa  p  0,79 c pN 2  s ) • ' pa

Si la combustión fuese estequiométrica (n1 = 1 ó d = 0; n2 = 0; F’ = F; G’ = G):

R"c  1  F c pm s  G c pa  p  Rco

s 

 1  F ' c pm  s  G ' c pa  p  G ' n2 (c' pa  s  c pa  p )  G ' d (c pa p  0,79 c pN 2  s )

Observemos que:

R"c  R'c  R"1 (n2 )

•

E. TORRELLA

71

Bastara restar, del rendimiento de la combustión reductora el “R1” o influencia del factor de dilución "n2", el cual puede ser obtenido de manera similar al “R” de la combustión oxidante ya que ambas correcciones son E. TORRELLA debidas a la misma causa.

72

18

24/11/2014

Calor útil entregado al vapor de descarga de la caldera (qv)

donde:  mv = caudal en masa o flujo másico de vapor generado (kg vapor agua/s)  mc = caudal en masa o flujo másico de combustible consumido (kg comb./s)  hs = entalpía del vapor generado (kcal/kg agua)  he = entalpía del agua de alimentación (kcal/kg agua) Además,

donde:  Ra/c = relación de aire húmedo a combustible seco (kg aire húmedo/kg comb.)  HE = Humedad específica del aire ambiente (kg vapor agua/ kg aire seco)

E. TORRELLA

73

E. TORRELLA

74

Calor perdido por la humedad del aire de entrada al hogar (qha)

Calor perdido al ambiente por el aire seco de la chimenea (qg)

donde:  Ras/c = relación de aire seco a combustible seco (kg aire seco/kg comb.).

donde:  hvs = Entalpía del vapor de agua a Ts y a la presión parcial correspondiente, [T.V.R ó T.V.S.] (kcal/kg agua)

 Cpas = calor específico del aire seco (kJ/kg K) [1,0035 kJ/kg K ó 0,24 kcal/kg K]

 hve = Entalpía del vapor de agua a Te y a la presión parcial correspondiente [T.V.S.]

 Ts = temperatura de bulbo seco de gases de descarga de la chimenea (ºC).

 (kcal/kg agua)

 Te = temperatura de bulbo seco del aire de entrada al hogar (ºC).

 h’vs = Entalpía del vapor de agua obtenida del D. Psicrométrico (kcal/kg aire seco)  h’ve = Entalpía del vapor de agua obtenida del D. Psicrométrico (kcal/kg aire seco)

E. TORRELLA

75

E. TORRELLA

76

19

24/11/2014

Calor perdido por la humedad contenida en el combustible (qhc)

Calor perdido por combustión incompleta (qci)

donde:  CC = Contenido de carbono en el combustible (kg /kg)  RVCO = Relación de volumen del CO con respecto al (CO + CO2)

donde:  Hc = Humedad del combustible (kg agua/kg comb.)  hvs = Entalpía del vapor de agua a Ts y a la presión parcial correspondiente, [T.V.R ó T.V.S.] (kcal/kg agua)  hac = Entalpía del agua (líquido saturado) en el combustible a la temperatura de entrada al quemador (kcal/kg agua) E. TORRELLA

77

E. TORRELLA

78

IDAE. METODO DIRECTO

Calor perdido al ambiente por convección y radiación (qcr)

donde:  Hi = Poder calorífico inferior (kcal/kg. comb.)

E. TORRELLA

79

E. TORRELLA

80

20

24/11/2014

IDAE. METODO INDIRECTO 3.2.1 Pérdidas a través del cuerpo de la caldera Las pérdidas de calor a través del cuerpo de la caldera tienen lugar siempre por conducción, convección y radiación. Las pérdidas por conducción se producen en los apoyos de la caldera. Normalmente no se toman en consideración debido a su escasa entidad. Las pérdidas por convección y radiación se producen a través de la envolvente de la caldera y dependen de los siguientes factores:  La temperatura media del agua en la caldera.  La temperatura del aire de la sala de máquinas, en cuanto que afecta a las pérdidas por convección.  La temperatura de los cerramientos de la sala de máquinas, que afecta a las pérdidas por radiación.  Las características de la caldera en lo referente al espesor y conductividad térmica del material aislante del cuerpo y la superficie del mismo. El valor instantáneo de estas pérdidas se determina por vía experimental. A una temperatura constante e igual a 80 °C, en calderas estándar este valor de pérdidas está entre el 1,5 y el 5%, y en calderas de baja temperatura y condensación entre un 0,5 y un 2%. En ambos casos el desplazamiento por el intervalo dado es inversamente proporcional a la potencia de la caldera, es decir, el valor de las pérdidas por convección y radiación disminuye al aumentar la potencia de la caldera.

E. TORRELLA

81

Una vez conocidos los flujos energéticos, el rendimiento

de

la

caldera

Método indirecto:

 gc , Tgc m

puede

Supone determinar todas las corrientes energéticas de

determinarse de dos formas:

 w , hs,w Ts,w , Pw  m

 Método directo  Método indirecto

 Ah , Te, Ah , HR m

Método directo (Caso caldera agua):

Es necesario medir temperaturas de entrada y salida del fluido secundario que estemos calentando, (generalmente agua), así como

 w , he,w Te,w , Pw  m  f , Te, f m Evaluación rápida del rendimiento

fluido



Pocos datos necesarios



Pocos instrumentos de medida

secundario (agua). Se desprecia el calor



Empleado para evaluación de rendimiento en RD 275/1995

de

aportado

combustible por

los

flujos

y

del

másicos

de

combustible y comburente caldera E. TORRELLA

m w  hs , w Ts, w , Pw   he , w Te , w , Pw  Q útil   Q a portado PCI f  m f

salida que no suponen aprovechamiento del calor

No aporta información sobre los motivos de un bajo rendimiento



Es necesaria la utilización de dos caudalímetros, especialmente el que mide el caudal de agua.

Ventajas 

Supone realizar un balance másico y energético completo



La información aportada permite identificar fallos y establecer puntos de mejora.

Desventajas

caldera ld 

Qpérdidas Qgc Qútil Q  1  1  tr  pi, g  pi,s Qaportado Qaportado Qaportado Qaportado



q mayor y aporte p de datos. Requiere



Requiere más tiempo de cálculo.



Requiere herramientas de cálculo.

 Composición del combustible (H2, O2, S, C, humedad, cenizas)  % oxígeno ó CO2 en los gases de combustión  Temperatura de aporte del combustible (Te,f )  Temperatura (Te,Ah) y humedad específica del aire comburente  PCI ó PCS del combustible  % cenizas en combustible (en caso de combustible sólido)  PCS de las cenizas (en caso de combustible sólido) .

Desventajas 

82

generado en la combustión, es decir, evaluar Qpérdidas.

Datos necesarios para el cálculo:

Ventajas 

caudal

E. TORRELLA

83

E. TORRELLA

84

21

24/11/2014

IDAE. METODO INDIRECTO Pérdidas de calor sensible en los humos Expresión de Sieggert

IDAE. METODO INDIRECTO

3.2.2 Pérdidas de calor sensible en los humos Estas pérdidas dependen fundamentalmente de los siguientes factores: 

La temperatura de los humos, o mejor dicho, la diferencia de temperatura entre la de los humos y la del aire comburente.



El calor específico de los humos.



El exceso de aire empleado en la combustión, que se manifiesta en el porcentaje de CO2 en los humos y afecta al caudal másico o volumétrico de los mismos.

COMBUSTIBLE

Qs  K

Estas pérdidas suelen estar comprendidas entre el 6 y el 10% de la

Thumos  Tr CO2  SO2 

potencia nominal, incrementándose notablemente este valor en caso de mantenimiento deficiente. El cálculo de estas pérdidas puede efectuarse con una de estas ecuaciones: En estas fórmulas se ve la importancia que tiene la temperatura de los

Gas natural

K 0.47

Gas ciudad

0.45

Gasóleo

0.58

CO2  SO2  % de estos componentes en humos

Fuelóleo

0.56

K función del combustible

Hulla

0.63

Antracita

0.68

humos en el valor de las pérdidas. Ello justifica que las calderas de baja temperatura y condensación mejoren entre un 2 y un 3% el rendimiento instantáneo frente a las estándar por la menor temperatura de salida de sus humos.

E. TORRELLA

85

IDAE. METODO INDIRECTO. CP medio en humos. Sistema internacional

E. TORRELLA

O2

CO2

N2

100

1.2156

1.7376

1.2742

1.5706

1.7414

200

1.2910

1.8389

1.2809

1.58811

1.7849

300

1.3408

1.9139

1.2931

1.5936

1.8276

400

1.3764

1.9741

1.3037

1.6079

1.8695

500

1.4036

2.0256

1.3115

1.6233

1.9101

H2O

86

IDAE. METODO INDIRECTO. INQUEMADOS

Cp medio de gases de combustión [kJ/m3ºC] T [ºC]

E. TORRELLA

Qi 

SO2

21  CO  CH  OP    21  O2   3100 1000 65 

O2  % de oxígeno en humos CO   p. p.m. de CO en humos ; CH   p. p.m. de hidrocarburos en humos OP   opacidad de los humos (%)

87

E. TORRELLA

88

22

24/11/2014

IDAE. METODO INDIRECTO. INQUEMADOS

IDAE. METODO INDIRECTO

Valores límite de los números de opacidad (escala de Bacharach) en combustibles líquidos son:  Calderas alimentadas con combustibles líquidos: 1 en escala de Bacharach  Calderas alimentadas con combustibles sólidos: 2 en escala de Bacharach

En España la medición de la opacidad es de obligado cumplimiento según el REAL DECRETO 1027/2007, de 20 de Julio, por el que se aprueba el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y se muestra indicado en su Instrucción Técnica 3.4.1 la periodicidad con la que se debe medir la opacidad: Tabla de valores del RITE

Índice de BACHARACH

E. TORRELLA

% de pérdidas sobre el combustible

89

E. TORRELLA

E. TORRELLA

IDAE. METODO INDIRECTO. Escala Bacharach

1

2

3

4

5

6

0.7

1.3

2.4

3.5

4.7

6 90

IDAE. METODO INDIRECTO

3.2.3 Pérdidas por inquemados

Con

Estas pérdidas son debidas fundamentalmente a la presencia de monóxido de carbono CO en los gases y en la práctica, si la combustión es correcta, son muy pequeñas. Su valor suele estar muy por debajo del

todo

ello,

el

rendimiento energético de

0,5% de la potencia útil de la caldera con combustibles gaseosos. El cálculo se puede llevar a cabo con la ecuación:

la caldera vendrá definido

En los combustibles líquidos y sólidos la producción de inquemados suele ser visible por la aparición de humos negros. Pra estos combustibles también es de aplicación el método BACHARACH que

por la expresión:

permite la detección de los inquemados sólidos: la muestra de gases se hace pasar por un dispositivo donde los inquemados “manchan” un patrón cuyo nivel de ennegrecimiento comparado en una escala aporta la cantidad de inquemados contenidos en los humos. Si bien este procedimiento no permite cuantificar energéticamente las pérdidas por inquemados, a continuación se indica una estimación obtenida por procedimientos experimentales:

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RENDIMIENTOS Real decreto 275/1995 de Febrero Directiva del Consejo 92/42/CEE

Tipos de calderas Tipología de calderas (directiva 92/42/CEE)

Rendimientos mínimos hasta 400 kW (Para potencias superiores, valores mayores o iguales a las de 400 kW)



Caldera Estándar - caldera cuya temperatura media de funcionamiento no puede ser inferior a 75ºC.



Caldera de Baja Temperatura - una caldera que puede funcionar continuamente con una temperatura de agua de retorno de 35 a 40ºC.



Caldera de Gas de Condensación - diseñada para poder condensar de forma permanente los vapores de agua contenidos en los gases de combustión (temperatura de funcionamiento, tan baja como se desee).

Rendimientos mínimos sobre PCI al 100% y al 30%

Las calderas convencionales trabajan a una temperatura media entre la ida y el retorno cercana a los 70ºC para evitar que en su interior se alcance la temperatura de rocío de los humos que provoca condensación de

 = a + b * log10 (Pnominal)

compuestos en forma de ácidos. Los materiales de estas calderas, no están preparados para esta condensación, por lo que las instalaciones centralizadas, siempre se dispone de una bomba ó válvula anticondensación para, precisamente, evitar la corrosión del cuerpo de la caldera cuando la temperatura del retorno sea baja (inferiores a 50ºC). El principal inconveniente de estas calderas, es su gran consumo de

Tipo

combustible, b tibl ya que siempre i i impulsarán l á ell agua a altas lt temperaturas. t t C Como h hemos visto, i t otro t inconveniente, i i t es que sii no está tá bien bi regulado l d ell termostato t t t de d la l bomba b b anticondensación, ti d ió o ésta é t última últi no funciona f i

Potencia nominal (100%)

correctamente, se producirán corrosiones en el cuerpo de la caldera. La temperatura de humos en una caldera de este tipo es muy elevada. Las calderas de baja temperatura y de condensación surgen de la necesidad del ahorro de combustible, y del aprovechamiento de nuevas tecnologías aplicadas a su fabricación. La principal ventaja de las calderas de baja temperatura, es que pueden trabajar con temperaturas de retorno de agua muy bajas (40ºC), sin que la condensación que se produce en el cuerpo de la caldera las dañe. Por lo tanto, se pueden adaptar a las necesidades térmicas del edificio, impulsando agua a diferentes temperaturas en función de la temperatura exterior, orientación del edificio, ubicación, etc.

Standard

Si conseguimos que los gases de la combustión condensen, aprovecharemos el calor latente del cambio de estado del vapor de agua (gas) a líquido, para convertirlo así, en calor sensible (aquel que aplicado a una sustancia eleva su temperatura sin cambio de estado). Es decir, ese calor lo aprovecharemos para elevar la temperatura del agua que circula por el interior de la caldera. ¿Cómo podemos bajar la temperatura de los humos?. 

Con una gran superficie de intercambio en el interior del cuerpo de la caldera



Posibilitando que la temperatura de retorno de agua sea lo más baja posible

El rendimiento óptimo, se obtendría con una temperatura de impulsión de 40ºC y una temperatura de retorno de 30ºC. La aplicación de estas calderas a instalaciones de suelo radiante, cuyas temperaturas de diseño y

Coeficientes

tm

ºC

a

b

ºC

Coeficientes a

b

70

84.0

2.0

≥ 50

80.0

3.0

Baja temperatura

70

87.5

1.5

40

87.5

1.5

De condensación

70

91.0

1.0

30*

97.0

1.0

* Temperatura del agua de alimentación de la caldera

funcionamiento corresponden con dichos valores, son ideales de cara a la obtención del mejor rendimiento térmico estacional de la instalación.

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Carga parcial (30%)

tm

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Rendimientos de calderas a potencia nominal y al 30%

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Rendimientos estacionales en calderas RENDIMIENTOS ESTACIONALES 110 Rendimiento máximo teórico con GN = 109%

105

98

93

96

92 91 90 89 88 Standard 87 86

94 92 90 88 86 Standard 84

Baja temperatura

Baja temperatura

82

De condensación

85

Rendimiento estacional sobre e el PCI (%)

Rendimientos mínimos al 30% de la Potencia nominal 100

94

Rendimiento sobre PCI (%)

Rendimiento sobre PCI (%)

Rendimientos mínimos al 100% de la Potencia nominal 95

De condensación

80 0

50

100

150

200

250

Potencia nominal  kW

300

350

400

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 95 90 85 80 75 70

Potencia nominal  kW

65 60 STANDARD

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BAJA TEMPERATURA

DE CONDENSACIÓN

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RENDIMIENTOS Marcas de prestaciones energéticas marca

A potencia nominal “Pn” (temp. media del agua a 70ºC) [%]

A carga parcial 30% (temp. media del agua ≥ 50ºC) [%]

≥ 84 + 2 * log10 (Pn)

≥ 80 + 2 * log10 (Pn)

≥ 87 + 2 * log10 (Pn)

≥ 83 + 2 * log10 (Pn)

≥ 90 + 2 * log10 (Pn)

≥ 86 + 2 * log10 (Pn)

≥ 93 + 2 * log10 (Pn)

≥ 89 + 2 * log10 (Pn)

RENDIMIENTO ESTACIONAL

Esta clasificación es para rendimiento instantáneo Rendimientos mínimos en calderas Tipo Standard [%]

Potencia nominal [kW] 20

50

100

200

300

400

81,6

82,4

83

84

84

84,2

B.T. [%]

85,5

85

85,5

86,2

96,2

86,4

Condensación [%]

87,3

87,7

88

88,5

88,5

88,6

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RENDIMIENTO ESTACIONAL

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RENDIMIENTO ESTACIONAL

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RENDIMIENTO ESTACIONAL

RENDIMIENTO ESTACIONAL Se requiere equipos con rendimientos instantáneos altos. La potencia instalada debe ajustarse a las necesidades del edificio  periodos de funcionamiento largos. El rendimiento estacional (ηe) contempla las pérdidas debidas a los periodos de parada de la caldera, en los cuales la misma cede calor al ambiente a través de su envolvente, hasta enfriarse, y a la vez también cede calor al circuito de humos debido a la circulación de aire en los periodos de parada y en las arrancadas en el proceso de prebarrido. Estas pérdidas son conocidas como pérdidas por disposición de servicio. servicio Se distinguen, distinguen por tanto, tanto tres periodos en el horario de servicio de una caldera, caldera las horas de funcionamiento (tf), las horas de parada (tp) y las horas de arrancadas (ta).  Reducir las pérdidas por ventilación interna en las paradas,:quemadores con cierre de la clapeta de aire en las paradas.  Reducir el número de arrancadas mediante un fraccionamiento de potencia adecuado. El rendimiento estacional siempre es menor que el de generación, y disminuye a medida que aumenta el número de arrancadas y paradas del equipo, pues las pérdidas por ventilación y radiación son proporcionales a estos tiempos. Por este motivo se utilizan quemadores de varias etapas, con el fin de reducir el numero de arrancadas; se tienen quemadores de dos etapas, que pueden trabajar a potencia total o a media carga, y quemadores modulantes, que son capaces de producir un amplio margen de potencias; en las calderas de condensación habitualmente se utilizan quemadores modulantes.

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RENDIMIENTO EN LAS CALDERAS

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RENDIMIENTO EN LAS CALDERAS Las pérdidas globales de las calderas de calefacción incluyen: las pérdidas por humos y las pérdidas de superficie. Éstas últimas incluyen todas las pérdidas de la caldera producidas a través de su superficie: durante el funcionamiento del quemador quemador, en forma de pérdidas por radiación y, y en forma de pérdidas por disposición de servicio, durante los tiempos de parada.

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Sistemas de regulación de la carga

Rendimiento y Potencia de una Caldera Rendimiento instantáneo: es aquel que se obtiene del conjunto caldera quemador en un instante determinado y en

Sistema de regulación modulante o continua: es el sistema empleado en calderas industriales, ya que

condiciones de marcha estabilizadas.

es el que ofrece mejor rendimiento.

Rendimiento útil, expresado en %,es la relación entre el calor transmitido al fluido caloportadory el PCI en unidad de tiempo.

 Generando vapor: la señal primaria de gobierno es el valor de la presión del vapor generado, que se toma a la salida de la caldera (que llega al regulador principal del sistema. Este regulador pposiciona las válvulas de combustible.Las válvulas de combustible y las clapetasdel p aire de combustión van variando su posición, en función de la variación del valor de la presión del vapor o, lo que es lo mismo, de la demanda.

Rendimiento estacional: es el calor suministrado por la caldera a lo largo de todo el año entre el calor aportado por el combustible.

 Generando agua sobrecalentada: la señal primaria de gobierno, en este caso, es el valor de la temperatura de impulsión del agua sobrecalentada que se toma a su salida de la caldera. Sistema todo/nada: los quemadores se encienden y apagan al sobrepasar un valor de consigna. Sistema de regulación en escalones: los quemadores se encienden a carga a carga mínima, o a carga

En los arranques y puesta a régimen existen importantes pérdidas en los humos, y otros en los que aunque no haya

máxima en función de la demanda.

suministro la caldera ha de estar disponible, por lo que existen pérdidas de radiación y convección por la envolvente.

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Rendimiento y Potencia de una Caldera

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Rendimiento y Potencia de una Caldera

La potencia útiles el calor transmitido al fluido caloportador.

En las calderas de baja temperatura el rendimiento en carga parcial tiene el mismo límite inferior

 La potencia útil nominales la máxima que garantiza el fabricante en funcionamiento continuo.

que a carga total.

 La potencia útil mínima es la más baja a la que puede funcionar la caldera, relacionado con un caudal y una temperatura mínimos.

En las calderas de condensación el rendimiento en carga parciales mayor que el nominal, ya

 La potencia útil modulante es la que puede entregar la caldera como consecuencia de la modulación de la llama.

que trabaja con una temperatura inferior. inferior

La potencia nominal, térmica, carga nominal o gasto calorífico es la energía procedente del combustible considerando el PCI.. En las calderas estándar en carga parcial el rendimiento se reduce respecto al nominal, ya que deben trabajar a la misma temperatura, y las pérdidas en la envolvente se mantienen. Para reducir la temperatura de envío sin disminuir la de retorno se realiza con una válvula de tres o cuatro vías a la salida. E. TORRELLA

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Rendimiento y Potencia de una Caldera

Seguridad y Control. Caldera Encendido de la chispa, puede ser:

Las pérdidas mayores son en el calor residualque se evacua con los humos, del 5 al 15%;

 Piezoeléctrico; es un cristal de cuarzo de que se carga eléctricamente cuando se le deforma, no necesita conexión eléctrica.

también son importantes las de la envolvente.

 Por filamento incandescente; se calienta al paso de una corriente eléctrica; necesita conexión eléctrica, y el filamento es muy frágil.

Los sistemas de recuperación del calor de los humos:

 Por chispa de alta tensión; un transformador genera una tensión que produce el salto de una chispa; es un sistema de larga vida pero necesitar conexión eléctrica.

 Economizadores:precalientan el agua de alimentación en las calderas

En elencendido hay que considerar los siguientestiempos:

 Recuperadores del calor de los humos: en ellos se calienta, con los humos, de un fluido que pueden ser ajeno, o no, a la propia caldera.

 Tiempo de prebarrido: es el periodo de funcionamiento del ventilador antes de encender la llama; elimina gases residuales.  Tiempo de preencendido: desde que se provoca la chispa hasta que se empieza a suministrar combustible, con esto se logra un encendido suave.

Las limitaciones de estos elementos están además de en el Punto de Rocío Húmedo y en el

 Tiempo de seguridad: es el tiempo máximo en el que se puede suministrar combustible a la caldera sin que aparezca la llama.

Punto de Rocío Acido.

 Tiempo de postencendido: es el periodo en el que se mantiene el sistema de encendido después de haber provocado la aparición de la llama.

Para disminuir la temperatura de los humos hay que aumentar el área de intercambio, lo que

Apertura de paso de combustible y el comburente; debe quedar cerrado cuando la caldera está

lleva a un tamaño de caldera mayor, lo que implica mayores pérdidas estructurales. E. TORRELLA

parada; el paso de aire contribuye a enfriar la caldera y con ello a bajar el rendimiento del sistema. 113

Tipos de rendimientos

114

Balance térmico de una caldera

Se denomina rendimiento útil a la relación que existe entre la potencia útil y la suministrada al quemador.

Se refiere a los cálculos necesarios para cuantificar la distribución de energía. En este caso la energía que se libera por la combustión se divide en:  La entregada al vapor de descarga

Ru = (Potencia útil)/(Caudal calorífico en quemador)

 Las pérdidas por la chimenea

Se define el rendimiento de combustión a la relación existente entre la potencia que queda en el q p (p (potencia útil mas ppérdidas ppor pparedes)) y la ppotencia suministrada. equipo

 Otras pérdidas indirectas Las pérdidas por la chimenea a su vez las podemos dividir en:

Rc = (Potencia útil + Pérdidas en equipo)/(Caudal calorífico) =

 Calor perdido por el aire seco  Calor perdido por la humedad ambiente

(Potencia transferida al hogar)/(Caudal calorífico)

 Calor perdido por la humedad del combustible

Por último, también puede definirse un rendimiento de calor como:

 Calor perdido por combustión incompleta. Si consideramos la humedad de los gases de la chimenea originado por la combustión del hidrógeno, se debería realizar el balance

Rt = (Potencia útil)/(Potencia útil + Pérdidas en equipo)

térmico en base al poder calorífico superior.

Finalmente puede observarse que:

Como no es conveniente conseguir la condensación del vapor de agua en la chimenea, no consideraremos esa posibilidad, por lo

Ru = Rc . Rt

E. TORRELLA

E. TORRELLA

tanto tomaremos como referencia el poder calorífico inferior del combustible seco.

115

E. TORRELLA

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Nivel de referencia

h

Potencia suministrada

Qp

productos (agua en fase vapor)

reactivos

Q12  PCI Tr  hR Tr  hP Tr Te

1

PCS

T Te

Qs

Ts





Q12  PCS  hR Tr  h' P Tr  PCS  hR Tr  hP Tr  Tr  h' a Tr ma Te

Ts

Te

Ts

Ts

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Pu





PCS  PCI  Tr ma 117

Diagrama de Sankey

Humos

Aire

En general, el estado de referencia se considera a presión atmosférica y temperatura ambiente (15ºC).

2'

Tr

Combustible

productos p (agua en fase liquida)

2

PCI

Ts



Pe  PCI  hR Tr mcomb.  PCI mcomb. Te

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Rendimiento en una caldera de vapor

Perdidas por productos de combustión

Rcaldera vapor 

Pérdidas por paredes y aperturas

Rcaldera vapor 

mvapor hS  hE  Pútil  Paportada mcombustible PCI

mvapor hS  hE  Pútil   1   ui ( p pérdidas) Paportada mcombustible PCI

 Qaportado = potencia de la caldera [kW]  Qútil = potencia utilizada en la caldera [kW]  mcombustible = consumo de combustible [kg/s]

A'

A

B

 mvapor = producción de vapor [kg/s]

Potencia útil "C"

 PCI = poder calorífico inferior [kJ/kg]  hS = entalpía del vapor recalentado a salida de caldera [kJ/kg]

PCI

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 hE = entalpía del agua entrada [kJ/kg]

119

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