balance energetico en calderas

AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [1/27]
BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS
1 Introducción
2 Funcionamiento de una caldera
3 Pérdidas energéticas en calderas
4 Balance energético en una caldera. Rendimiento energético
5 Ejercicios
Pedro G. Vicente Quiles
Área de Máquinas y Motores Térmicos
Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales
Universidad Miguel Hernández
1

CALDERAS
Objetivos
1. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas para identiﬁcar los ﬂujos
energéticos útiles y las pérdidas energéticas.
2. Realizar un balance energético en una caldera, determinando la localización y mag-
nitud de las pérdidas energéticas.
2

CALDERAS
Deﬁnición, Introducción
Aplicaciones:
Agua Caliente Sanitaria
Calefacción
3

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Clasiﬁcación según Norma UNE 9.002 (I)
Por la transmisión del calor:
• De convección.
• De radiación.
• De radiación y convección.
Por el combustible utilizado:
• De carbón (de parrilla mecánica o pulverizado).
• Para combustibles líquidos.
• Para combustibles gaseosos.
• Para combustibles especiales (lejías, resíduos vegetales o agrícolas, etc.).
• Para combustibles variados (calderas policombustibles).
Por la presión de trabajo:
• Subcríticas: baja (p≤1 bar), media (1<p<13 bar) y alta presión (p>13 bar).
• Supercríticas.
4

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Clasiﬁcación según Norma UNE 9.002 (II)
Por el tiro:
• De tiro natural. El tiro se produce por la diferencia de densidad de los humos de
los gases de combustión y el aire exterior.
• De tiro forzado: con hogar en sobrepresión, depresión o equilibrado.
5

CALDERAS PIROTUBULARES
Funcionamiento.
Los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de un volumen de agua,
todo ello rodeado por una carcasa interior. Diseño limitado a 25 bar.
6

Esquema tridimensional
7

Fotografía de la caldera en fabricación
8

Fotografía caldera pirotubular
9

ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN
Pérdidas de energía en la combustión
PÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA
Producción de inquemados. Deﬁnición de un rendimiento de la combustión.
Pérdidas por inquemados sólidos Qis.
Pérdidas por hidrocarburos inquemados QCH.
Pérdidas por CO y H2 inquemados.
10

Pérdidas por combustión incompleta
PÉRDIDAS POR INQUEMADOS SÓLIDOS Pis
Inquemados sólidos producen opacidad de los gases de combustión. Medida mediante
Índice de Bacharrach.
Bacha- Pérdidas Características
rrach ( % PCI) de la combustión
1 0,8 Excelente. Ausencia de Hollín
2 1,6 Buena. Hollín poco perjudicial
3 2,4 Mediana. Cierta cantidad de hollín. Limpieza anual
4 3,5 Pobre. Humo visible. Moderado a rápido ensuciamiento
5 4,6 Muy pobre. Ensuciamiento seguro. Varias limpiezas al año
6 5,7 Pobrísima
Relación Pis(%) y la lectura de la opacidad OP( %)
Pis(%) =
21
21−O2
×
OP(%)
65
% del calor total
Se producen principalmente en combustibles sólidos y en menor medida en combustibles
líquidos y pueden ser entre el 2 y el 3 % del total.
11

PÉRDIDAS POR HIDROCARBUROS INQUEMADOS PCH
En los combustibles líquidos y gaseosos es habitual que no se queme una parte de los
hidrocarburos produciéndose pérdidas por hidrocarburos inquemados PCH. Estas pérdidas
se pueden determinar de forma aproximada mediante:
PCH(%) =
21
21−O2
×
CH
1000
siendo O2 el % de O2 en los gases y CH las ppm de hidrocarburos.
12

PÉRDIDAS POR CO Y H2 INQUEMADOS PCO
No todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma en
CO2 y en H2O.
QCO = 32800−(32800x+9200(1−x))kJ/kg de C
De igual modo, si se supone de solamente se transforma el y por uno de H2 a H2O, la
pérdida por hidrógeno inquemado resulta:
QH2
= 120900(1−y)kJ/kg de H
Habitualmente se considera que los inquemados de H2 con iguales a los inquemados
de CO (que sí de miden). Adicionalmente a las expresiones indicadas anteriormente, las
pérdidas por inquemados de CO y H2 se pueden calcular de forma aproximada mediante
PCO(%) =
21
21−O2
×
CO
3100
siendo O2 el % de O2 en los gases y CO las ppm de CO en los gases.
13

PÉRDIDAS TOTALES POR INQUEMADOS
Pinq = PCO +PH2 +PIS +PCH % del calor total
De forma aproximada se pueden calcular mediante:
Pinq(%) =
21
21−O2
×
CO
3100
+
CH
1000
+
OP(%)
65
Por convenio se suele considerar CH = CO, ya que generalmente los aparatos se medida
únicamente miden CO.
RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN
Deﬁnido debido a que la combustión no es completa.
El calor liberado por el combustible no es Qc = ˙mPCI. Deﬁnición:
η(%) = 100−Pinq(%)
14

VALORES ÓPTIMOS DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN
Fuelóleo Gasóleo Gas natural
Exceso de aire % 15 a 20 10 a 15 5 a 10
O2 % 3 a 4 2 a 3 1 a 2
Bacharrach 2 1 a 2 -
CO ppm 400 <400 <400
CH ppm 400 <400 <400
15

CALDERAS
Pérdidas energéticas en Calderas
1. PÉRDIDAS POR INQUEMADOS
Se producen inquemados porque no todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en
el combustible se transforma en CO2 y en H2O respectivamente. Además, aparecen las
pérdidas por inquemados sólidos PIS o por hidrocarburos inquemados PCH.
Las pérdidas totales por inquemados resultan:
Pinq = PCO +PH2 +PIS +PCH
Las pérdidas por inquemados se pueden calcular mediante esta expresión teórico-experimental.
Pinq(%) =
21
21−O2
×
CO
3100
+
CH
1000
+
OP
65
siendo O2 el % de O2 en los gases, CO las ppm de CO en los gases, CH las ppm de CH
en los gases (hidrocarburos) y OP la opacidad de los gases ( %).
16

CALDERAS
2. PÉRDIDAS POR LOS GASES DE ESCAPE
Expresión de las pérdidas de calor en los gases de escape:
Pgases(%) = 100×
˙mg cp,g (tg,s −tre f )
˙mf PCI
El calor especíﬁco medio, cp,g se puede tomar bien el correspondiente al aire seco
(1,1 kJ/kg◦C) o bien determinarlo a partir de su composición.
cp,g =
i=n
∑
i=1
COMPi cp,i kJ/kg◦C
Asimismo se puede emplear la expresión del tipo
cp,g = M +Ntg,
donde los coeﬁcientes M y N dependen del combustible, y del exceso del aire de la com-
bustión.
17

CALDERAS
3. PÉRDIDAS POR LAS PAREDES
Ppar =
i=n
∑
i=1
Ai he(tp,ext −tamb)
donde Ai están a tp,ext y he = he,R +he,C.
Convección natural. Caldera en interior de ediﬁcio
• Pared horizontal: he,C = 2,8 4
√
tp,ext −tamb
• Pared vertical: he,C = 1,18 4
(tp,ext −tamb)/H
• Pared cilíndrica: he,C = 1,13 4
(tp,ext −tamb)/de
Convección forzada. Caldera al aire libre.
• he,C = 4,88+3,6V, donde V es la velocidad del viento en m/s.
Radiación.
• he,R = 4,96×10−8ε(tp,ext +273)4 −(tamb +273)4 /(tp,ext −tamb).
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CALDERAS
Balance energético. Rendimiento energético
RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CALDERA
Rendimiento η(%) = 100×
Energía útil
Energía consumida
Método directo del cálculo del rendimiento. Si se dispone de la instrumentación
adecuada, se puede calcular directamente el rendimiento
η(%) = 100×
˙m1(hv1,s −hag,e)+ ˙m2(hv2,s −hag,e)
˙mf PCI
Método indirecto o de separación de pérdidas. Empleando el concepto de energía
útil, el rendimiento de la caldera será:
η(%) = 100× 1−
Pérdidas
Energía consumida
= 100−Pgas(%)−Pinq(%)−Ppar(%).
19

CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
EJERCICIO 1. En una caldera de gasóleo C se realiza el siguiente análisis de humos:
%O2 = 5 %CO2 = 12, CO = 200ppm, Thumos = 150◦C. Determina la temperatura de
rocio de los humos.
De la Tabla 8.2 se obtiene que la combustión se realiza con un coeﬁciente de exceso
de aire de n = 1,3, volumen de humos húmedos de 14,47 m3N/kgcomb, masa de humos
húmedos de 18,79 kg/kgcomb y una composición de agua en humos de 1,01 kg/kgcomb.
El volumen de agua en humos es de:
VH2O = mH2O
22,4 m3N/kmol
MH2O kg/kmol
= 1,01·
22,4
18
= 1,26 m3N/kgcomb
La presión parcial del agua en los humos es de:
Pp = PT yH2O = PT
VH2O
VHH
= 101300
1,26 m3N/kgcomb
14,47 m3N/kgcomb
= 8820 Pa
Interpolando se obtiene que la temperatura de rocío de los humos es de 41,5◦C.
20

CALDERAS
EJERCICIO 2. Calcula las pérdidas de energía por humos en % de la caldera del Ejer-
cicio 1.
Para determinar las pérdidas de energía en humos, supondremos una temperatura ambi-
ente de 20◦C. El calor especíﬁco de los humos a la temperatura media, esto es, a 85◦C es
de cp = 1,049+0,0001108·(85+273) = 1,09. El PCI del gásoleo C es 40 964 kJ/kg.
Las pérdidas de energía en los gases de escape se pueden calcular mediante,
Pge(%) = 100×
˙mge cp,ge (tge −ta)
˙mf PCI
= 100×
18,79·1,09·(150−20)
1·40964
= 6,5%.
Empleando la expresión de Sieggert,
Pge(%) = K ×
tge −ta
CO2 +SO2
= 0,58·
150−20
12,16+0,04
= 6,2%.
21

CALDERAS
EJERCICIO 3. Calcula las pérdidas de energía por inquemados en % de la caldera del
Ejercicio 1.
Las pérdidas por inquemados a falta de información sobre la opacidad de los humos re-
sultan:
Pinq(%) =
21
21−5
·
200
3100
+
200
1000
= 0,35%
22

CALDERAS
EJERCICIO 4. Una caldera pirotubular de 2 metros de diámetro y 3 metros de longitud
trabaja a una temperatura de 80◦C. La virola es de acero y tiene un espesor de 10 mm y
está cubierta con una capa de aislante de fibra de vídrio de 30 mm de espesor. La caldera
está instalada al exterior con velocidad de viento de 2 m/s. Estima las pérdidas de energía
por transferencia de calor al ambiente (30◦C).
La temperatura del agua en la caldera es de 80◦C. Se considera que el coeficiente de
transmisión de calor interior hi es elevado y por tanto la temperatura de la pared interior
será la del fluido t2 = t1. La conductividad térmica del acero es de kac = 50 W/m◦C y la del
aislante de kais = 0,1 W/m◦C. Además como el diámetro es mucho mayor que el espesor,
se puede considerar en toda la superficie transmisión de calor en superficies planas.
Coeficiente de transmisión de calor en la pared circular.
1
Ue,c
=
1,04
1hi
+
1,04ln(1,01/1,00)
50
+
1,04ln(1,04/1,01)
0,05
+
1
14,03
.
1
Ue,c
=
1
∞
+
1
4832
+
1
1,64
+
1
14,03
=
1
1,468
⇒ Ue,c = 0,681.
23

CALDERAS
Coeﬁciente de transmisión de calor en las tapas.
1
Ue,t
=
1
1hi
+
0,01
50
+
0,04
0,05
+
1
14,03
.
1
Ue,t
=
1
∞
+
1
5000
+
1
1,25
+
1
14,03
=
1
1,148
⇒ Ue,t = 0,87.
Las pérdidas por transferencia de calor serán,
Ppar = [(πDL)Ue,c +(2πD2
/4)Ue,t](t1 −t5)
Ppar = [19,6·0,681+6,80·0,87]·(80−30) = 963 W.
siendo la temperatura en la pared exterior de la virola,
(t5 −t4) =
Ppar
Ae he
=
19,6·0,681·50
19,6·14,03
= 2,4 ⇒ t4 = 32,4◦
C.
24

CALDERAS
EJERCICIO 5. Una caldera consume en 24 h 152,5 kg de gasóleo C (PCI=40000 kJ/kg).
Determinar el diagrama Sankey y rendimiento de la caldera. Se dispone de la siguiente
información adicional: temperatura de los humos: 210◦C, coeﬁciente de exceso de aire:
n = 1,2, pérdidas por inquemados: 2 %, pérdidas por las paredes: 3,8 kW. Cond. ambi-
entales: 101300 Pa y 25◦C.
Energía aportada por el combustible,
˙Qf = ˙mf PCI = (152,5/24/3600)40000 = 70,6 kW.
Pérdidas por las paredes,
˙Pp = 3,8 kW , Pp(%) = 5,3%
Pérdidas por inquemados,
Pinq(%) = 2,0%, ˙Pinq = 1,4 kW
25

CALDERAS
Pérdidas por gases de escape
˙mge = 0,00176(1+1,2·13,67) = 0,031 kg/s,
˙Pge = ˙mge cp,ge (tge −tre f ) = 0,031·1,1(210−25) = 6,25 kW (8,85 %).
Energía útil
˙Eu = ˙Qf − ˙Pge− ˙Ppar− ˙Pinq = 70,6−6,25−3,8−1,4 = 59,2 kW.
Rendimientos de la caldera
η(%) = 100·
˙Eu
˙Qf
= 100·
59,2
70,6
= 83,8%.
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CALDERAS
Bibliografía
Bibliografía recomendada:
Molina, L.A., Molina, G., 1993, capítulo 2.
Molina, L.A., Alonso J.M., 1996, capítulo 2.
Hernández, J.J., Lapuerta, M, 1998, capítulos 5 y 7.
CEE, Libro II. Generación de Vapor, 1983, capítulos 2, 3 y 4.
CEE, Tomo 1, Fundamentos y ahorro en operaciones, 1982, pp. 133-175.
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