Tesis 2-¦ parte (Zavaleta & Cedron)

Universidad César Vallejo

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

Análisis energético de la caldera N°11de la empresa azucarera Casa Grande, con vista a la mejora del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento de vapor producido

ÍNDICE DEDICATORIA………………………………………..………………………………… i AGRADECIMIENTO…………………………………..……………….…………………ii RESUMEN……………………………………………………………………..………….iii ABSTRACT…………………………………………..…………………………...………iv INTRODUCCION…………………………………..……….…………………...…….....v CAPÍTULO I: 1.1.

MARCO METODOLÓGICO............................................................ ............................................................................ ................ 6

................................................................................................................ .................................................. 7 EL PROBLEMA ..............................................................

1.1.1.

Descripción del problema ............................................................ ....................................................................................... ........................... 7

1.1.2.

........................................................................................................... .................................................. 8 Antecedentes .........................................................

1.1.3.

Formulación del Problema .......................................................... ..................................................................................... ........................... 8

1.1.4.

.............................................................................................................. .................................................. 8 Justificación ............................................................

1.1.5.

Limitaciones............................................................ .............................................................................................................. .................................................. 9

1.1.6.

.......................................................................................................... .................................................. 9 Delimitaciones ........................................................

1.2.

OBJETIVOS ........................................................ ..................................................................................................................... ............................................................. 9

1.2.1.

...................................................................................................... ...................................... 9 Objetivo General ................................................................

1.2.2.

Objetivos Específicos ................................................................... .............................................................................................. ........................... 9

1.3.

HIPÓTESIS ......................................................... .................................................................................................................... ........................................................... 10 10

1.4.

VARIABLES ......................................................... .................................................................................................................... ........................................................... 10 10

1.4.1.

Variables de Entrada o independiente

1.4.2.

Variables de Salida o Dependiente ..................................................................... 10

1.4.3.

Variables Intervinientes ................................................................ ......................................................................................... ......................... 10 10

1.5.

............................................................... ............................................................ ... 10 10

...................................................................................... ......................... 10 10 DISEÑO DE LA EJECUCIÓN.............................................................

1.5.1.

Tipo de Diseño ................................................................... ....................................................................................................... .................................... 10 10

1.5.2.

.............................................................................................. .................................... 11 11 Población y Muestra ..........................................................

1.5.2.1.

Población ........................................................ ........................................................................................................ ................................................ 1 1

1.5.2.2.

.......................................................................................................... ................................................ 1 1 Muestra: ..........................................................

1.5.2.3.

Técnicas, Instrumentos fuentes e Informantes ......................................... 12

CAPITULO II:

.................................................................................. ......................... 13 13 MARCO RFERENCIAL.........................................................

2.1.

MARCO TEÓRICO........................................................ ........................................................................................................ ................................................ 1 4

2.1.1.

............................................................................................... .................................... 14 14 Balance Energético ...........................................................

Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

1




2.1.2.

................................................................................................... .................................... 14 14 Caldera de Vapor ...............................................................

2.1.3.

Componentes de una caldera que quema bagazo

.......................................... 14

2.1.3.1.

.............................................................................................................. ................................................ 1 4 Hogar: ..............................................................

2.1.3.2.

Sobrecalentador:

2.1.3.3.

............................................................................................... .................................... 15 15 Economizador: ...........................................................

2.1.3.4.

Calentador de Aire ................................................................ ......................................................................................... ......................... 15 15

2.1.3.5.

....................................................................................................... .................................... 16 16 Quemador ...................................................................

........................................................................................... .................................................................. ......................... 14 14

2.1.4.

....................................................................................................................... ........................................................... 16 16 Vapor ............................................................

2.1.5.

Energía Térmica ................................................................ .................................................................................................... .................................... 17 17

2.1.6.

Calculo de la Eficiencia Térmica de una Caldera ............................................. 17

2.1.7.

Balance Térmico en una Caldera .......................................................... ........................................................................ .............. 17 17

2.1.8.

...................................................................................... ......................... 17 17 Teoría de la Combustión .............................................................

2.1.9.

Eficiencia de Combustión ............................................................ ..................................................................................... ......................... 18 18

2.1.10.

............................................................................................................... ................................................ 1 8 Entalpía ...............................................................

2.1.11.

Eficiencia energética: Conservación de la Energía ...................................... 18

2.1.12.

.............................................................................. ........... 19 19 Sistemas de Cogeneración ...................................................................

2.1.13.1. Composición Física del Bagazo ............................................................... .................................................................. ... 19 19 ................................................................................... ......................... 20 20 2.1.13.2. Composición Química ..........................................................

.................................................................................................... .................................... 21 21 CAPITULO III: RESULTADOS ................................................................

3.1.

BALANCE CON PARAMETROS DE TRABAJO ...................................................... 22

3.1.1.

Cálculo de rendimiento actual de la caldera por el método indirecto ............ 22

3.1.1.1.

Composición de gases en chimenea .......................................................... 22

3.1.1.2.

Determinación del coeficiente de exceso de aire en chimenea

3.1.1.3.

Cálculo de la relación aire – combustible .................................................. 23

3.1.1.4.

Cálculo de la relación gas – combustible .................................................. 24

3.1.1.5.

Cálculo de poder calorífico inferior del bagazo ......................................... 24

3.1.1.6.

Cálculo de la pérdida de calor sensible

3.1.1.7.

Cálculo de calor transmitido al vapor por kilogramo de bagazo

3.1.1.8.

Cálculo de consumo de bagazo ............................................................... .................................................................. ... 26 26

3.1.1.9.

Cálculo de flujo másico de aire que ingresa al hogar

............. 23

..................................................... 25 ............ 25

.............................. 27

3.1.1.10. Cálculo de flujo másico de gases de combustión en fase inicial

........... 27

3.1.1.11. Cálculo de temperatura temperatura de gases de combustión combustión en fase inicial .......... 28


2




3.1.1.12. Cálculo del consumo específico de vapor ................................................. 28 3.1.1.13. Cálculo de calor total producido en la combustión ................................... 29 3.1.1.14. Rendimiento de caldera por el método indirecto ...................................... 29 3.1.2.

Cálculo de temperatura de gases a la salida de cada intercambiador

......... 30

3.1.3. Cálculo de coeficiente global de transferencia de calor en cada ....................................................................................................................... ........................................................... 33 33 intercambiador ............................................................ 3.2.

BALANCE CON PROPUESTA DE MEJORA ........................................................ ........................................................... ... 36 36

3.2.1.

Cálculo de rendimiento por el método indirecto

............................................... 37

3.2.1.1.

Determinación del coeficiente de exceso de aire en chimenea

3.2.1.2.

Cálculo de la relación aire – combustible .................................................. 37

3.2.1.3.

Cálculo de la relación gas – combustible .................................................. 37

3.2.1.4.

Cálculo de la pérdida de calor sensible

3.2.1.5.

Cálculo de calor transmitido al vapor por kilogramo de bagazo

3.2.1.6.

Cálculo de consumo de bagazo ............................................................... .................................................................. ... 39 39

3.2.1.7.

Cálculo de flujo másico de aire que ingresa al hogar

3.2.1.8.

Cálculo de flujo másico de gases de combustión en fase inicial

3.2.1.9.

Cálculo de temperatura temperatura de gases de combustión combustión en fase inicial .......... 40

............. 37

..................................................... 38 ............ 38

.............................. 39 ........... 39

3.2.1.10. Cálculo del consumo específico de vapor ................................................. 40 3.2.1.11. Cálculo de calor total producido en la combustión ................................... 40 3.2.1.12. Rendimiento de caldera por el método indirecto ...................................... 41 3.2.2.

Cálculo de temperatura de gases a la salida de cada intercambiador

3.2.3.

Cálculo de nuevas coeficientes globales de transferencia de calor .............. 43

3.2.3.1.

......... 41

....................................................................................... ......................... 44 44 En el precalentador precalentador ..............................................................

A.)

Coeficiente de convección para flujo externo ............................................... 45

B.)

Coeficiente de convección para flujo interno ................................................ 47

C.)

Coeficiente Global de transferencia de calor ................................................ 48

3.2.3.2.

En el sobrecalentador sobrecalentador primario .................................................................... 48

A.)

Coeficiente de convección para flujo externo ............................................... 49

B.)

Coeficiente de convección para flujo interno ................................................ 50

C.)

................................................................ ... 51 51 Coeficiente Global de transferencia .............................................................

3.2.4.

Cálculo de las nuevas superficies de transferencia de calor .......................... 51

3.2.4.1.

Para el Precalentador de aire ...................................................................... 52

3.2.4.2.

................................................................ ... 53 53 Para el sobrecalentador sobrecalentador primario .............................................................

3.2.5.

Cálculo de la caída de presión del vapor en el sobrecalentador


................... 54

3



3.2.5.1.

En el sobrecalentador primario ........................................................................ 54

B.)

En el Sobrecalentador secundario .................................................................. 57

C.)

Caída de presión total del sobrecalentador ................................................... 59 Caída de presión con parámetros mejorados ........................................... 59

A.)

Cálculo del número de tuberías a instalar en el sobrecalentador .............. 59

B.)

Selección del Material de la tubería ................................................................ 60

C.)

Caída de Presión del vapor en el Sobrecalentador primario ...................... 61

D.)

Cálculo de la velocidad en las tuberías a instalar

E.)

Caída de Presión de vapor en el Sobrecalentador secundario .................. 65

F.)

Caída de Presión en Sobrecalentador ........................................................... 68

........................................ 63

BALANCE EN LAS TURBINAS ................................................................................... 68

3.3.1.

Balance en las turbinas con parámetros de trabajo ......................................... 68

3.3.1.1.

Balance de energía en la Turbina TGM ..................................................... 68

3.3.1.2.

Balance de energía en la Turbina BMA ..................................................... 71

3.3.1.3.

Balance de energía en la Turbina del Ventilador

3.3.1. 3.4.

Caída de presión con parámetros de trabajo ............................................ 54

A.)

3.2.5.2.

3.3.


Balance a las turbinas con parámetros mejorados

..................................... 73

.......................................... 76

Análisis económico ........................................................................................................ 7 7

3.4.1.

Consumo de bagazo anual actual ...................................................................... 77

3.4.1.1.

Generación de potencia en soles de todo el balance en Fábrica actual 77

3.4.2.

Consumo de bagazo anual con parámetros mejorados .................................. 78

3.4.2.1.

Generación de potencia en soles de todo el balance en Fábrica actual 78

CAPÍTULO IV:

DISCUSION DE RESULTADOS ............................................................... 79

CAPÍTULO V:

CONCLUSIONES ......................................................................................... 82

CAPÍTULO VI:

RECOMENDACIONES............................................................................... 84

CAPÍTULO VII:

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................ 86

ANEXOS ......................................................................................................................................... 8 8 Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla N°01: Datos de operación de la caldera…………………………..……..……22 Tabla N°02: Análisis de gases en chimenea………………………...……………….23 Tabla N°03: Área de transferencia de calor en intercambiadores de la caldera...34 Tabla N°04: Comparación entre temperaturas de operación y diseño. …….....…36 Tabla N°05: Datos de propuesta de mejora para la caldera ……………….……………36 Tabla N°06: Propiedades del aire de ingreso a precalentador…….………………45 Tabla N°07: Propiedades del gas de ingreso a precalentador……………….……47 Tabla N°08: Propiedades del gas de combustión a la entrada del sobrecalentador…………………………………………………………………………49 Tabla N°09: Propiedades del vapor a la entrada del sobrecalentador ……………50 Tabla N°10: Comparación de resultados obtenidos por balance en caldera…….80 Tabla N°11: Valores de balance en turbinas………………………………………… 81


5




CAPÍTULO I: MARCO METODOLÓGICO


6



1.1.


EL PROBLEMA

1.1.1. Descripción del problema La Empresa Casa Grande S.A.A cuenta una planta procesadora de caña de azúcar rubia, posee también una planta destiladora de alcohol rectificado fino y alcohol rectificado extrafino. Siendo su materia básica la caña de azúcar, además de los productos mencionados, se obtiene el bagazo, que es utilizado como combustibles en las calderas para producir energía. En la actualidad, esta empresa cuenta con cinco calderas acuotubulares que producen vapor sobrecalentado, de las cuales cuatro de ellas queman bagazo y una quema carbón. Las calderas bagaceras deben producir vapor sobrecalentado con una temperatura de 400°C. Siendo la caldera N°11 la que ha sido automatizada por una empresa brasileña, es la que produce un vapor de menos calidad. El rango de temperatura de vapor sobrecalentado obtenido por esta caldera es de 355 – 360°C, de este modo al mezclarse este vapor con el producido por las demás calderas se obtendrá un vapor sobrecalentado de menor nivel entálpico, afectando así el rendimiento de la central termoeléctrica. A este problema se suma la pérdida de energía en los gases de escape que es expulsada por la chimenea, la misma que sale con una temperatura de 203ºC. Debido a los problemas mencionados y al hecho en la planta no se aplica un plan de energía que incluya diagnósticos y balances semanales que permitan evaluar la magnitud y tipo de causas, se están produciendo pérdidas económicas para la empresa.


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1.1.2. Antecedentes La sociedad Mexicana realizó un congreso de “BALANCE ENERGETICO DE CALDERAS QUE QUEMAN BIOMASA” en su publicación de X Congreso Internacional

de

la

sociedad

Mexicana

del

hidrogeno

“Energías

pp. 10. En este congreso se determinan las características principales que cumple cada etapa de la caldera; así como también se aprecia las pérdidas más comunes que ocurren en esta. Esta opción sugiere, realizar un determinado análisis para observar los parámetros que influyen para el buen trabajo de la misma. Renovables”

2010/

La Dirección de energía Alternativa y eficiencia Energética (Ministerio de Energía) realizó un estudio de “AUDITRORIA ENERGETICA DE UN SISTEMA DE VAPOR” pp. 30. En este estudio se plantea la aplicación de programas de ahorro de energía partiendo del incremento de rendimiento energético, el cual solo se realizará si hace un análisis de energía al sistema de vapor. Adicionalmente a la reducción en el coste de la energía, se dé la posibilidad de incrementar la producción de vapor y la reducción de emisiones contaminantes. 1.1.3. Formulación del Problema ¿En qué medida es factible la mejora del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento de vapor producido en base al análisis del nivel energético de la caldera 11 de la empresa azucarera Casa Grande S.A.A? 1.1.4. Justificación 1.1.4.1. Económico:  Reducir costo de consumo de combustible y con la mejor utilización de este. 1.1.4.2. Tecnológico:  Instalación de equipos que ayuden con la medición de variables que comprometan el cálculo mejorando el rendimiento del ciclo.


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1.1.4.3. Social:  Disminuyendo el nivel de contaminación de los gases quemados cumpliendo con las normas de impacto ambiental, para una mejor calidad de vida para habitantes que rodeen esta empresa. 1.1.4.4. Institución:  Con la recopilación de información que pueda ayudar a mejorar el estudio de calderas y aumentar el conocimiento de los estudiantes de nuestra universidad. 1.1.5. Limitaciones La Empresa no cuenta con algunos de los equipos de medición necesarios para realizar un adecuado análisis energético. 1.1.6. Delimitaciones Este estudio se basará solo en la evaluación energética de la caldera N°11 en la Empresa Azucarera Casa Grande S.A.A. Los parámetros de medición serán tomados en el circuito Ranking (Caldera, Turbina, evaporadores, Tachos; condensadores, desgasificador). El balance para el análisis del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento de vapor producido se realizará también solo en el ciclo ranking y los equipos ya mencionados anteriormente. 1.2.

OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo General Definir la factibilidad técnica del mejoramiento del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento del vapor de la caldera Nº11 en base al análisis y realizar un plan de acción en función a las deficiencias. 1.2.2. Objetivos Específicos  Realizar un balance energético en la caldera número N°11. Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

9



  


Determinar cuáles fueron las causas de la mala eficiencia de trabajo. Realizar un plan de acción en base análisis energético. Realizar un análisis Económico.

1.3. HIPÓTESIS Es posible Definir la factibilidad técnica del mejoramiento del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento del vapor de la caldera Nº11 en base al análisis y realizar un plan de acción en función a las deficiencias. 1.4.

VARIABLES

1.4.1. Variables de Entrada o independiente  Poder Calorífico del combustible [KJ].  Exceso de Aire.  Superficie de intercambio de calor [m2]. 1.4.2. Variables de Salida o Dependiente  Entalpía del vapor producido [KJ/Kg].  Rendimiento de la Caldera [%] 1.4.3. Variables Intervinientes  Nivel de Capacitación del Operador de las Calderas. 1.5.

DISEÑO DE LA EJECUCIÓN

1.5.1. Tipo de Diseño Considerando que el objeto de estudio es la Caldera Acuotubular horizontal de 55 Ton/hora de vapor a la cual se analizará la factibilidad técnica del mejoramiento del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento del vapor; se considera del tipo Descriptiva y Aplicativa.


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1.5.2. Población y Muestra 1.5.2.1. Población Una caldera Acuotubular de marca Buckau R. Wolf, con generación de vapor nominal de 55 Ton/Hora, a una presión de trabajo de 31 bar y una temperatura de diseño de 400ºC que utiliza como combustible Bagazo. 1.5.2.2. Muestra: Se considerará a la caldera Acuotubular de 55 Ton/Hora de vapor. a.) Métodos Punto 1.- Identificación de la Necesidad en la Empresa Debido a la excesiva temperatura de los gases de escape (Tge = 209°C) a la salida de la chimenea, se observa un déficit en el nivel de vapor sobrecalentado (baja calidad de vapor); es por eso que se requiere evaluar un análisis energético en la caldera N°11 de la Empresa Azucarera Casa Grande. Punto 2.- Recolección y Análisis de Datos Recopilación de datos de la Empresa CASA GRANDE S.A.A. – La Libertad Se consideró las características de Operación de la Caldera Acuotubular de 60 Ton/hora empleando Bagazo, mediante un análisis energético a la caldera N°11. Punto 3.- Determinación de Composición Química del Combustible Se realizó un análisis estequiométrico para determinar los porcentajes de la composición química del bagazo. Punto 4.- Determinación de los flujos másicos del aire, combustible, gases de combustión Aplicación de las ecuaciones de balance de masas para la determinación de estos. Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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Punto 5.- Determinación de las Superficies de intercambio de Calor Aplicación de las ecuaciones de balance de energía para la determinación de estos. Punto 6.- Determinación de la Factibilidad Técnica del Análisis Energético de la Caldera Al desarrollar el cálculo se logra determinar que es factible técnicamente el análisis ya que nos permite determinar un aumento del Rendimiento de la Caldera; así como también una mejor calidad del vapor sobrecalentado.

1.5.2.3. Técnicas, Instrumentos fuentes e Informantes a.) Observación Se visualizó dibujos y planos para conocer el proceso actual de la Planta Térmica. b.) Mediciones Se tomó datos de Termómetros, Manómetros y tablas termodinámicas, para medir temperaturas, presiones y energías internas (entalpías) c.) Entrevistas Se encuesto verbalmente a los operadores de las calderas, para conocer el funcionamiento de estas. d.) Analítica Se tomó ecuaciones para realizar los cálculos de balance de masas y energía de la caldera.

e.) Deductiva Se recopilo datos de libros y páginas de Internet para el desarrollo de fórmulas y ecuaciones, para el desarrollo de la Tesis. Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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CAPITULO II: MARCO RFERENCIAL


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2.1. MARCO TEÓRICO 2.1.1. Balance Energético El diagnóstico energético presenta una visión parcial del verdadero comportamiento de la operación de la caldera, se registran en los gases de combustión emitidos al medio ambiente, que para el caso particular de la caldera bagacera en estudio ascienden a 32.7% de la energía total del bagazo, lo cual inicialmente pudiera llevar a los diseñadores a tratar de reducir el contenido de humedad en el bagazo. 2.1.2. Caldera de Vapor Recipiente de presión cerrado en el que el fluido es calentado para su uso posterior, externamente a él, por la aplicación directa del calor resultante de la combustión de un combustible (sólido, líquido o gaseoso) o por el uso de energía eléctrica o energía nuclear. 2.1.3. Componentes de una caldera que quema bagazo 2.1.3.1. Hogar: Es un espacio libre, amplio y cerrado, para la combustión del combustible y la refrigeración de los humos, antes de que entren en el paso de convección o zona de recuperación. Una temperatura excesiva de los humos en el lado exterior de los tubos o una excesiva temperatura del acero de los mismos. La geometría y dimensiones del hogar dependen del combustible y del equipo de combustión. 2.1.3.2. Sobrecalentador: Se diseñan en forma de bancos de tubos alineados que incrementan la temperatura del vapor saturado; son intercambiadores de una sola fase, con Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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flujo de vapor por el interior y flujo de humos por el exterior, en flujos cruzados. Se fabrican con aceros aleados, por las altas temperaturas de operación y están configurados para controlar la temperatura de salida del vapor y el mantenimiento de esta. 2.1.3.3. Economizador: Es un intercambiador de calor de flujos en contracorriente que recupera la energía residual de los humos, aguas abajo del Sobrecalentador, y del recalentador, incrementando la temperatura del agua del sistema que entra en el calderín del vapor. El banco tubular dispone de tubos en serpentín horizontales paralelos, con el flujo de agua por el interior de los tubos, en contracorriente con ele flujo de los humos. El espaciado de los tubos tiene que ser el menor posible para facilitar el intercambio Térmico, la limpieza de la superficie tubular exterior y una caída de presión limitada en el lado de los humos. 2.1.3.4. Calentador de Aire No forma parte de los circuitos agua-vapor, pero juega un papel importante en la transferencia de calor y en la eficiencia del sistema generador de vapor. En las calderas de alta presión, la temperatura de los humos a la salida del economizador es todavía bastante alta, por lo que el calentador de aire recupera una gran parte de esta energía residual y la añade al aire comburente, para ahorrar así en consumo de combustible.


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2.1.3.5. Quemador Quemadores de combustibles Líquidos: Pueden ser por gasificación, es decir, la propia radicación de la llama existente calienta el combustible evaporándolo y facilitando así la posterior combustión en la que, al prender evaporara más combustible. Este es un proceso lento y de superficie muy limitada; también pueden ser quemadores por:     

Atomización Helicoidal Forma paralela De la Atomización por arrastre de fluido auxiliar De la Atomización por copa rotativa

2.1.4. Vapor Sustancia en estado gaseoso; los términos de vapor y gas son intercambiables, aunque en la práctica se emplea la palabra vapor para referirse al de una sustancia que normalmente se encuentra en estado líquido o sólido. 2.1.4.1. Vapor Saturado Se denomina así al vapor que se encuentra en contacto con el líquido que le da origen. El vapor saturado se encuentra en dos fases en equilibrio de tal manera que la temperatura se incrementa proporcionalmente con la presión. Es el caso, por ejemplo, del vapor de agua a 100°C y a una presión de 1 atmosfera. El vapor a una temperatura superior al punto de ebullición se denomina vapor sobrecalentado, y se condensa parcialmente si se disminuye la temperatura a presión constante. Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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2.1.5. Energía Térmica Energía que se transfiere de un cuerpo a otro a su diferencia de temperatura. También recibe el nombre de calor. La unidad de la energía térmica es el joule, pero aún se sigue utilizando la unidad histórica del calor, la caloría. 2.1.6. Calculo de la Eficiencia Térmica de una Caldera El procedimiento para determinar la eficiencia térmica es similar para toda caldera. Estas unidades pueden tener los equipos siguientes: un economizador, un calentador de aire, un calentador de combustible. Normalmente, estos equipos aprovechan los gases de combustión producidos en la propia caldera, constituyendo de este modo transferencias internas de calor que aparecen en el balance térmico como una reducción de las pérdidas de calor debido al descenso en la temperatura de dichos gases. 2.1.7. Balance Térmico en una Caldera Uno de los resultados de la Auditoria energética es el balance se presentan en forma de tablas, diagramas, etcétera. La interpretación de este balance permitirá identificar las actualidades y/o proyectos de conservación de energía que deban llevarse a cabo. Además, de los balances térmicos actuales se puede proyectar balances térmicos mejorados con el propósito de comparar ambas situaciones. 2.1.8. Teoría de la Combustión Reacción Química mediante el cual se oxida un combustible haciendo que libere una gran cantidad de energía, trayendo con ello un aumento de la temperatura de las sustancias. Para que se realice la combustión, se realice la combustión, se requiere combustible, comburente y la temperatura necesaria para que se inicie la combustión. 

Combustibles, son materiales o sustancias que arden con facilidad, en presencia de oxigeno liberando energía, estos se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos.


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


Comburentes, son los elementos o sustancias, que provoca la combustión o la activan. El oxiden más utilizado es el aire, en algunas aplicaciones el oxígeno.

2.1.9. Eficiencia de Combustión La Eficiencia de combustión es una medida que indica cuando efectivamente la energía química contenida en el combustible ha sido liberada en forma de calor durante el proceso de combustión. La combustión es completa cuando se realiza sin la producción de Inquemados. Es óptima cuando es completa y además se realiza con el menor exceso de aire de combustión posible. 2.1.10. Entalpía Entalpía, cantidad de energía de un sistema termodinámicamente que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a al a capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se mide en joules. 2.1.11. Eficiencia energética: Conservación de la Energía Pueden describirse tres tipos de medidas de energía. El primer tipo es el recorte, es decir, prescindir del uso de energía. El segundo tipo es la reforma. Que consiste en cambiar los hábitos de vida y a la forma de producción de bienes y servicios. El tercer tipo de medidas implica un uso más eficiente de la energía para adaptarse a su mayor coste. Esta última alternativa es más fácil de aceptar para los gobiernos y a sociedad en general. Hacia 1980 mucha gente se había dado cuenta de que el aumento de la eficiencia energética podía contribuir positivamente al balance mundial de Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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energía a corto y medio plazo, y de que la llamada conservación productiva debería considerarse un solución adicional tan importante como las fuentes de energía antes descritas. N la década de 1970 comenzaron a producirse ahorros sustanciales y parece posible aumentarlas hasta un 30% o un 40% sin afectar de modo drástico la vida humana. Hay sin embargo numerosos obstáculos. 2.1.12. Sistemas de Cogeneración Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de un único combustible. 2.1.13. Combustible Bagazo El Bagazo final, o simplemente el bagazo, es el material sólido, fibroso, que sale de la abertura trasera del último de los molinos de la batería, después de la extracción del jugo.

Es el residuo de la molienda de la caña. Los elementos combustibles del bagazo son el carbono y hidrogeno. Para obtener una combustión completa, sin dejar material no quemado y para que todo el carbono se convierta en CO2 es necesario proporcionar cierto exceso de aire . 2.1.13.1. Composición Física del Bagazo A pesar de la de la diversidad de las plantas de molienda y de las maquinas empleadas para ella, la composición química del bagazo varía entre limites bastantes estrechos. Su propiedad más importante, desde el punto de vista de la producción de vapor, es su humedad. Cuando el trabajo de los molinos es deficiente, el contenido de humedad del bagazo será de aproximadamente del 50%, mientras que con un buen trabajo su contenido será del 45%. Además del agua, el bagazo contiene:


19






Material insoluble, principalmente celulosa, y que constituye la fibra del bagazo, sustancias en solución en el agua (evidentemente agua del jugo) consistentes en azúcar e impurezas. Estas sustancias en solución se presentan en pequeñas cantidades que van del 2 al 5%.

2.1.13.2. Composición Química La composición química del bagazo seco, varía ligeramente, de acuerdo con diferentes autores: 

N. Deerr: Carbono Hidrogeno Oxígeno Cenizas




: 46.5% : 6.5% : 46% : 1%

Hugot: Carbono Hidrogeno Oxígeno Cenizas

: 47% : 6.5% : 44% : 2.5%

20




CAPITULO III: RESULTADOS


21




3.1. BALANCE CON PARAMETROS DE TRABAJO Es importante tener en cuenta que la combustión de las calderas bagaceras y las carboneras tienen una gran diferencia, la caldera N°11 tiene como combustible el bagazo. Por esta razón, para los cálculos se tomó como referencia el método del libro Manual para Ingenieros Azucareros de E. HUGOT . En la tabla N°01 se muestra los parámetros de trabajo de la caldera tomados de la instrumentación de la misma. Tabla N° 01 DATOS DE OPERACIÓN DE LA CALDERA N°11

Flujo de vapor Presión de trabajo Temperatura del vapor Temperatura de aire caliente Temperatura del agua de Alimentación Combustible Empleado Temperatura de bagazo Temperatura de gases en chimenea

55 TN/Hora 31 bar 355°C 107.5°C 106°C Bagazo 30°C 206°C

Fuente: Departamento de Generación de Vapor Casa Grande S.A.A.

3.1.1. Cálculo de rendimiento actual de la caldera por el método indirecto 3.1.1.1. Composición de gases en chimenea La composición de los gases necesarios para realizar los cálculos posteriores fue proporcionada por el Departamento de Generación de Vapor de la empresa, los cuales se presentan en la tabla N°01.



El contenido de  en los gases varía, como se puede observar en la tabla, de esta manera se asumirá un valor promedio para la realización de los cálculos.


22




Tabla N° 02 ANALISIS DE GASES EN CHIMENEA Medición O2 (%) CO2 (%) 1 12.2 8.3 2 8.1 12.2 3 7.5 12.9 Promedio 9.3 11.1 Fuente: Departamento de Generación de Vapor Casa Grande S.A.A.

3.1.1.2. Determinación del coeficiente de exceso de aire en chimenea El coeficiente de exceso de aire se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

    

Donde: = Coeficiente de exceso de aire

  = Porcentaje de oxigeno [%] = 0.093      3.1.1.3. Cálculo de la relación aire – combustible La humedad del bagazo tiene un valor de 50%. Este es un dato histórico de los últimos seis meses, aunque cabe anotar que el dato de humedad del bagazo es un dato que se registra cada hora y depende prácticamente del estado de los molinos ya que si estos no tienen un buen ajuste no habrá una buena extracción, por lo tanto el bagazo que va a las calderas tendrá un alto porcentaje de humedad. El valor promedio de humedad se asumirá 50%.

  ]   [  Donde:  = Relación aire – combustible

  = Humedad del bagazo [%] = 0.50  = Coeficiente de exceso de aire = 1 79 Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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    ]  [  3.1.1.4. Cálculo de la relación gas – combustible

]   [

Donde:  = Relación gases de combustión – combustible

  = Humedad del bagazo [%] = 0.50  = Coeficiente de exceso de aire = 1.79 ]  [ De esta manera se determina el peso de los productos gaseosos de la combustión por kilogramo de bagazo. 3.1.1.5. Cálculo de poder calorífico inferior del bagazo Esta ecuación considera las siguientes pérdidas de calor: 



Calor latente de vaporización del agua formada por la combustión del hidrógeno contenido en el bagazo, que se pierde en los gases con el vapor de esta agua, si no se condensa. Calor latente de vaporización del agua contenida en el bagazo, que de la misma manera se pierde en los gases de chimenea.

 ]  [ Donde:  = Poder calorífico inferior ⁄  = Humedad del bagazo [%] = 50%  = Porcentaje de Sacarosa [%] =1.7%    Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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3.1.1.6. Cálculo de la pérdida de calor sensible La pérdida más importante, que debe restarse, es la que corresponde al calor sensible arrastrado por estos gases. En una buena instalación, pueden obtenerse temperaturas de los gases de escape de entre 180 – 195°C. Para el caso de esta caldera marca 206°C.

  [  ]      Donde: = Pérdida de calor sensible en los gases

⁄   = Temperatura de los gases de escape = 206°C  = Humedad del bagazo [%] = 50%  = Coeficiente de exceso de aire = 1.79        3.1.1.7. Cálculo de calor transmitido al vapor por kilogramo de bagazo Puede calcularse ahora la cantidad de vapor que puede obtenerse de la unidad de peso del bagazo. Las pérdidas de calor en el horno y en la caldera consisten en las siguientes: a. Calor latente del agua que se forma por combustión del hidrogeno del bagazo. b. Calor latente del agua contenida en el bagazo. c. Calor sensible de los gases que dejan la caldera. d. Pérdidas en solidos no quemados. e. Pérdidas por radiación del horno y especialmente de la caldera. f. Pérdidas debidas a la mala combustión del carbono

 ]   [ Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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Donde: = Calor transmitido al vapor

⁄   = Humedad del bagazo [%] = 50%  = Pérdida de calor sensible en los gases = 1462.14 ⁄  = Coeficiente que incluye las pérdidas en los sólidos no quemados = 0.95  = Coeficiente que incluye las pérdidas debidas a la radiación = 0.98  = Coeficiente que incluye las pérdidas debidas a la combustión incompleta = 0.85



Los coeficientes de pérdidas en el caso de es del orden de 0.99. Muy pocas veces desciende de este valor, a menos que se emplee un tiro muy fuerte que arrastre a la chimenea pedazos relativamente grandes de bagazo, lo cual no ocurre en esta caldera.



Para varía entre 0.95 a 0.99, de acuerdo con el aislamiento más o menos eficiente de la caldera. Si la caldera está bien aislada puede tomarse 0.99. Para esta caldera asumiremos 0.98. En cuanto a puede variar de 0.8 a 0.9. Este coeficiente será mejor de acuerdo con: La humedad del bagazo y el poco exceso de aire. Asumiremos 0.85.



       3.1.1.8. Cálculo de consumo de bagazo Para la determinación del flujo másico de bagazo fue necesario tomar algunos datos de operación, y a partir de estos poder encontrar la variable mencionada. Los datos necesarios para la realización de este cálculo se citan en la tabla N°02.

 ]  ̇   ̇    [


26




Donde:  = Flujo másico de combustible

⁄ ̇ ̇ = Flujo másico de vapor = 55 ⁄= 15.3 ⁄  = Entalpia de vapor sobrecalentado ⁄  = Entalpia de agua de alimentación ⁄  = Calor transmitido al vapor = 5091.23 ⁄ De tabla termodinámica tenemos:  = 3127.1⁄,  = 447⁄      ̇       3.1.1.9. Cálculo de flujo másico de aire que ingresa al hogar

 ]  ̇   ̇  [ Donde: ̇ = Flujo másico de aire de ingreso a caldera ⁄ ̇ = Flujo másico de combustible = 8.051 ⁄  = Relación aire - combustible = 5.16     ̇    3.1.1.10. Cálculo de flujo másico de gases de combustión en fase inicial

 ]  ̇   ̇  [ Donde: ̇ = Flujo másico de gases de combustión ⁄ ̇ = Flujo másico de combustible = 8.051 ⁄  = Relación gases de combustión - combustible = 6.16     ̇    Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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3.1.1.11. Cálculo de temperatura de gases de combustión inicial

en fase

         

Donde:  = Temperatura de gases de combustión en fase inicial

   = Poder calorífico inferior = 7867.8 ⁄  = Calor específico del bagazo ⁄  = Temperatura del bagazo = 30°C  = Relación aire - combustible = 5.16  = Calor específico del aire caliente ⁄  = Temperatura del aire caliente = 107.5°C  = Calor específico de gases de combustión ⁄  = Relación gases de combustión - combustible = 6.16 De tablas:  = 1.3400

⁄   = 1.0120 ⁄  = 1.3134 ⁄ Las temperaturas se obtuvieron de medidores, citadas en la tabla N°02. Finalmente reemplazamos:

     3.1.1.12. Cálculo del consumo específico de vapor

 ]    ̇ ̇  [  

Donde:  = consumo específico de vapor

 ̇ = Flujo másico de vapor = 55 ⁄ ̇ = Flujo másico de combustible = 29 ⁄ Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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 ]    [   3.1.1.13. Cálculo de calor total producido en la combustión

 ̇   ̇(    )  Donde:  = Flujo másico de combustible = 8.051

̇ ⁄  = Poder calorífico inferior = 7867.8 ⁄  = Calor específico del bagazo =1.340 ⁄  = Temperatura del bagazo = 30°C  = Relación aire - combustible = 5.16 ̇ = Flujo másico de gases de combustión = 49.54 ⁄  = Calor específico del aire caliente = 1.012 ⁄  = Temperatura del aire caliente = 107.5°C

 ̇   

3.1.1.14. Rendimiento de caldera por el método indirecto

   (     )

Donde: = Calor transmitido al vapor = 5091.23

⁄   = Poder calorífico inferior = 7867.8 ⁄  = Calor específico del bagazo = 1.3400 ⁄  = Temperatura del bagazo = 30°C  = Relación aire - combustible = 5.16  = Calor específico del aire caliente = 1.0120 ⁄  = Temperatura del aire caliente = 107.5°C       Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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3.1.2. Cálculo de temperatura de gases a la salida de cada intercambiador Para el cálculo de las temperaturas se consideró asumir una eficiencia en el intercambiador de calor, de tal manera que los parámetros calculados coincidan con los datos medidos por la instrumentación de la caldera, las cuales se presentan en la figura N°01. A continuación se presenta la fórmula general que emplearemos en todos los intercambiadores. Los calores específicos del aire y delos gases se obtuvieron de las tablas N°03 y N°04 que están en anexos.

 ̇         ( ̇  ) Además se calculará el calor útil necesario para cada intercambiador de calor, esto determinará qué porcentaje del calor total se utilizó en cada intercambiador; así como también servirá para desarrollar nuestro diagrama de sankey.

    ̇   ̇  

Dónde:  = Temperatura del gas a la salida del intercambiador

   = Temperatura del gas a la entrada del intercambiador  ̇ = Flujo másico de agua, vapor o aire ⁄  ̇ = Flujo másico de los gases de combustión⁄  = Entalpía del agua, vapor o aire a la salida del intercambiador ⁄  = Entalpía del agua, vapor o aire a la entrada del intercambiador ⁄  = Eficiencia del intercambiador de calor  = Calor específico promedio de los gases de combustión⁄


30




Figura N°01: Representación esquemática de la caldera mostrando temperaturas medidas por instrumentación

3.1.2.1. Temperatura de gas a la salida de vaporizador

       ̇        3.1.2.2. Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador secundario

            ̇       3.1.2.3. Temperatura de gas a la salida de sobrecalentador primario

       Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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 ̇         3.1.2.4. Temperatura de gas a la salida de economizador

        ̇      3.1.2.5. Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N°1 Los precalentadores se encuentran en paralelo, por lo que los gases de combustión se divide entre 2 para realizar el cálculo tanto para el precalentador N°A1 como para el precalentador N°A2.

             ̇      3.1.2.6. Temperatura de gas a la salida de Precalentador de aire N°2

            ̇      El paso a seguir es calcular los coeficientes globales de transferencia de calor, utilizando el calor útil determinado en cada intercambiador y las superficies de transferencia de estas citadas en la tabla N°03.


32




3.1.3. Cálculo de coeficiente global de transferencia de calor en cada intercambiador Para este análisis se consideró tomar las superficies de intercambio de calor existentes, esto nos permitirá comparar con los parámetros de rango normal de una caldera; para posteriormente podamos calcular la nueva superficie de calor necesaria, que nos ayudará a llegar a los parámetros establecidos por nuestra tesis.

 *  +       Dónde:

  = Calor útil   = Superficie de Intercambio de Calor  = Coeficiente Global de Transferencia de calor⁄  = Temperatura media logarítmica Para la realización de cálculos realizados en los intercambiadores de la caldera se tomó las condiciones de operación promedio, las cuales se citan en la figura N°01. La fórmula para el cálculo de la media logarítmica de las diferencias de temperatura es:

     ||  |     | Dónde:  = Variación de Temperatura máxima

   = Variación de Temperatura mínima  Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

33




Figura N°02: Temperatura media logarítmica en intercambiadores.

Tabla N° 03 Superficie de transferencia de calor en intercambiadores de la caldera

   

Superficie en el Vaporizador Superficie en el Sobrecalentador Secundario Superficie en el Sobrecalentador Primario Superficie en el Economizador Superficie en el Precalentador N°1 Superficie en el Precalentador N°2

1724 197 250 470.56 769.3 769.3


3.1.3.1. Coeficiente global de transferencia en vaporizador

        ||        3.1.3.2. Coeficiente secundario

global

de

transferencia

en

sobrecalentador

      ||        Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

34




3.1.3.3. Coeficiente global de transferencia en sobrecalentador primario

      ||        3.1.3.4. Coeficiente global de transferencia en economizador

      ||        3.1.3.5. Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N°1

      ||        3.1.3.6. Coeficiente global de transferencia en Precalentador de aire N°2

      ||       


35




3.2. BALANCE CON PROPUESTA DE MEJORA La tabla N°04 muestra al sobrecalentador y precalentador de aire como los intercambiadores de calor que no están elevando la temperatura al fluido de trabajo al nivel requerido. Por lo que se procederá a analizar solo el sobrecalentador y precalentador de aire. Tabla N° 04: Comparación entre temperaturas de operación y diseño Temperatura de agua a la salida de economizador Temperatura de vapor a la salida de vaporizador Temperatura de vapor a la salida de sobrecalentador primario Temperatura de vapor a la salida de sobrecalentador secundario Temperatura de aire a la salida de precalentador

OPERACIÓN 167°C 241°C 301°C 355°C 130°C

DISEÑO 170° 245°C 300°C 400°C 150°C


Cabe recalcar la metodología de cálculo para la obtención del rendimiento de la caldera fue del libro Manual para Ingenieros Azucareros de E. HUGOT. El paso a seguir es calcular la nueva eficiencia de la caldera con la temperatura de vapor sobrecalentado aumentado a 400°C, al igual que el aire caliente de ingreso a la caldera a 150°C y esperando obtener una temperatura de 180°C en los gases de escape. Tabla N° 05 DATOS DE PROPUESTA DE MEJORA PARA LA CALDERA N°11

Flujo de vapor Presión de trabajo Temperatura del vapor Temperatura de aire caliente Temperatura del agua de Alimentación Combustible Empleado Temperatura de bagazo Temperatura de gases de escape

55 TN/Hora 31 bar 400°C 150°C 106°C Bagazo 30°C 180°C



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3.2.1. Cálculo de rendimiento por el método indirecto 3.2.1.1. Determinación del coeficiente de exceso de aire en chimenea E. HUGOT da como rango para el exceso de aire 1.4 a 1. 5 en el hogar. Del análisis de gases en la chimenea se pudo calcular un exceso de aire, que resulto ser 1.79. Este valor es demasiado alto aun considerando que existan filtraciones. Por lo que se inspección a la caldera buscando orificios por los cuales podría ingresar aire innecesario para la combustión. No obstante al no encontrarse orificios salvo pequeñas ranuras en la compuerta del hogar, podríamos decir que este exceso se debe a la mala operación de la caldera. Entonces dando aviso de esta mala operación realizaremos los cálculos con exceso de aire de 1.6.



3.2.1.2. Cálculo de la relación aire – combustible

  ]   [ 

Donde:  = Relación aire – combustible

  = Humedad del bagazo [%] = 0.50  = Coeficiente de exceso de aire = 1.6   ]  [  3.2.1.3. Cálculo de la relación gas – combustible

]   [

Donde:  = Relación gases de combustión – combustible

  = Humedad del bagazo [%] = 0.50  = Coeficiente de exceso de aire = 1.6 ]  [ Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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3.2.1.4. Cálculo de la pérdida de calor sensible A diferencia del cálculo con parámetros aquí se espera obtener una temperatura de gases de escape de 180°C.

  [  ]       Donde:  = Pérdida de calor sensible en los gases ⁄  = Temperatura de los gases de escape = 180°C  = Humedad del bagazo [%] = 50%  = Coeficiente de exceso de aire = 1.6         3.2.1.5. Cálculo de calor transmitido al vapor por kilogramo de bagazo

 ]   [ Donde:  = Calor transmitido al vapor ⁄  = Humedad del bagazo [%] = 50%  = Pérdida de calor sensible en los gases = 1174.87 ⁄  = Coeficiente que incluye las pérdidas en los sólidos no quemados = 0.95  = Coeficiente que incluye las pérdidas debidas a la radiación = 0.98  = Coeficiente que incluye las pérdidas debidas a la combustión incompleta = 0.85.

       Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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3.2.1.6. Cálculo de consumo de bagazo .

 ]  ̇   ̇    [ Donde: ̇ = Flujo másico de combustible ⁄ ̇ = Flujo másico de vapor = 55 ⁄= 15.3 ⁄  = Entalpia de vapor sobrecalentado ⁄  = Entalpia de agua de alimentación ⁄  = Calor transmitido al vapor = 5328.14 ⁄ De tabla termodinámica tenemos:  = 3230.8⁄,  = 447⁄       ̇      

3.2.1.7. Cálculo de flujo másico de aire que ingresa al hogar

 ]  ̇   ̇  [

Donde:  = Flujo másico de aire de ingreso a caldera  = Flujo másico de combustible = 7.98

⁄ ̇ ̇ ⁄  = Relación aire - combustible = 4.6     ̇    3.2.1.8. Cálculo de flujo másico de gases de combustión en fase inicial

 ]  ̇   ̇  [ Donde: ̇ = Flujo másico de gases de combustión ⁄ ̇ = Flujo másico de combustible = 7.98 ⁄  = Relación gases de combustión - combustible = 5.6     ̇    Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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3.2.1.9. Cálculo de temperatura de gases de combustión en fase inicial

         

Donde:  = Temperatura de gases de combustión en fase inicial

   = Poder calorífico inferior = 7867.8 ⁄  = Calor específico del bagazo⁄  = Temperatura del bagazo = 30°C  = Relación aire - combustible = 4.6  = Calor específico del aire caliente ⁄  = Temperatura del aire caliente = 107.5°C  = Calor específico de gases de combustión ⁄  = Relación gases de combustión - combustible = 5.6 De tablas:  = 1.3400



⁄,  = 1.0172 ⁄,  = 1.3314 ⁄      

3.2.1.10. Cálculo del consumo específico de vapor

 ]    ̇ ̇  [  

Donde:  = consumo específico de vapor  = Flujo másico de vapor = 55

 ⁄ ̇ ̇ = Flujo másico de combustible = 28.7 ⁄  [   ]      3.2.1.11. Cálculo de calor total producido en la combustión

 ̇   ̇(    )  Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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Donde:  = Flujo másico de combustible = 8.051

̇ ⁄  = Poder calorífico inferior = 7867.8 ⁄  = Calor específico del bagazo =1.340 ⁄  = Temperatura del bagazo = 30°C  = Relación aire - combustible = 4.6 ̇ = Flujo másico de gases de combustión = 44.7 ⁄  = Calor específico del aire caliente = 1.0172 ⁄  = Temperatura del aire caliente = 150°C  ̇    3.2.1.12. Rendimiento de caldera por el método indirecto

   (     )

Donde: = Calor transmitido al vapor = 5328.14

 ⁄  = Poder calorífico inferior = 7867.8 ⁄  = Calor específico del bagazo = 1.3400 ⁄  = Temperatura del bagazo = 30°C  = Relación aire - combustible = 4.6  = Calor específico del aire caliente = 1.0172 ⁄  = Temperatura del aire caliente = 150°C       3.2.2. Cálculo de temperatura de gases a la salida de cada intercambiador Para el este cálculo se aplica un la fórmula de un balance de energía y se despeja la temperatura.

 ̇         ( ̇  ) Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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Y para el cálculo del calor útil se empleara la siguiente fórmula:

    ̇   ̇  

Dónde:  = Temperatura del gas a la salida del intercambiador

   = Temperatura del gas a la entrada del intercambiador  ̇ = Flujo másico de agua, vapor o aire ⁄  ̇ = Flujo másico de los gases de combustión⁄  = Entalpía del agua, vapor o aire a la salida del intercambiador ⁄  = Entalpía del agua, vapor o aire a la entrada del intercambiador ⁄  = Eficiencia del intercambiador de calor  = Calor específico promedio de los gases de combustión⁄ 3.2.2.1. Temperatura a la salida de vaporizador

       ̇        3.2.2.2. Temperatura a la salida de sobrecalentador secundario

          ̇         3.2.2.3. Temperatura a la salida de sobrecalentador primario

       Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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 ̇         3.2.2.4. Temperatura a la salida de economizador

        ̇      3.2.2.5. Temperatura a la salida de Precalentador de aire N°1

            ̇      3.2.2.6. Temperatura a la salida de Precalentador de aire N°2

            ̇      3.2.3. Cálculo de nuevas coeficientes globales de transferencia de calor Como habíamos mencionado anteriormente le daremos mayor énfasis al sobrecalentador y precalentador.


43




3.2.3.1. En el precalentador El precalentador de aire consta de un haz de tubos en el que los gases de combustión pasan por estos, mientras que el aire pasa en flujo cruzado sobre ellos. El arreglo de los tubos es escalonado, como se puede apreciar en la figura N°03 la y la figura N°04 muestra las condiciones de los flujos, tanto del vapor como del aire. El precalentador cuenta con 960 tubos, treinta líneas de tubos en la dirección del flujo de aire y cuarenta y ocho tubos por línea. El precalentador primario y secundario está en paralelo, por lo que los flujos se dividen entre dos y se hará el cálculo para un solo precalentador.

Figura N°03: Arreglo de tubos en el precalentador de aire.

    ̇  ⁄     ̇  ⁄    279°C

  

150°C

30°C

PRECALEN TADOR

180°C

Figura N°04


44




A.) Coeficiente de convección para flujo externo Tabla N° 06 PROPIEDADES DEL AIRE DE INGRESO (30°C)  Densidad ρ = 1.1663 Calor Especifico Cp = 1.0062 ν = 17.083*10^-6  Viscosidad cinemática Conductividad k = 0.0264 Numero de Prandl Pr = 0.7073

    

a) Cálculo de la Velocidad 

Velocidad del flujo de aire en el Precalentador

 ̇ [  ]     Donde: ̇ = Flujo másico de aire = 18.36 ⁄  = Densidad del aire = 1.1663 ⁄ A = Área de circulación del aire = 10.956  El área de circulación del aire, es la diferencia del área de ducto vacío menos la longitud del tubo multiplicado por el diámetro.

       

Cálculo de la Velocidad máxima para un banco de tubos

         Dónde:  = Separación longitudinal  = Separación transversal  = Diámetro del tubo Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

   

45




Habiendo reemplazado datos, se tuvo que



es mayor que

  ⁄. Por consiguiente aplicaremos la siguiente fórmula para calcular la velocidad máxima.              b) Número de Reynolds

         c) Número de Nusselt

    Tenemos:

  

  

     

De Tabla 7.7 y 7.8 del libro Incropera:

  

  



Reemplazando:

     d) Cálculo del coeficiente coeficiente de convección convección

  [ ]          Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

46




B.) Coeficiente de convección para flujo interno Tabla N° 07 PROPIEDADES PROPIE DADES DEL GAS DE INGRESO (279°C) (279°C)  Densidad ρ = 0.617 Calor Especifico Cp = 1.1221 ν = 45.81*10^-6  Viscosidad cinemática Conductividad k = 0.04838 Numero de Prandl Pr = 0.65

    

a. Cálculo de la Velocidad del gas gas al interior interior del tubo

]    ̇  [

 ̇           [   ]

Dónde: = espesor de tubería = 3.4 mm

  = 960                 b. Número de Reynolds

           c. Número de Nusselt

        d. Cálculo del coeficiente de convección convección interna

 [  ]                 Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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C.) Coeficiente Global de transferencia transferencia de calor

       [ ]    Dónde:  = Coeficiente de convección externa

  = Coeficiente de convección interna  = Conductividad térmica del tubo = 58 ⁄                  

3.2.3.2. En el sobrecalentador sobrecalentador primario El sobrecalentador primario consta de cincuenta serpentines de tubos, en el que cada serpentín tiene ocho pasos, y el vapor proveniente del domo superior pasa por estos, mientras que los gases pasa en flujo cruzado sobre ellos. La figura N°05 muestra las condiciones de los flujos, tanto del vapor como de los gases. El diámetro de los serpentines es de 1.5 pulgadas.

    ̇    ⁄    ̇     ⁄   270°C

  

445°C

SOBRECAL ENTADOR

Figura N°05


48




A.) Coeficiente de convección para flujo externo Tabla N°08 PROPIEDADES DEL GAS DE COMBUSTIÓN (445.2°C)  ρ = 0.4648 Densidad Viscosidad cinemática ν = 74.4692*10^-6  Conductividad k = 6.4603*10^-2 Numero de Prandl Pr = 0.6312

   

a.) Velocidad del gas en el Sobrecalentador

 ̇ [  ]     Donde: ̇ = Flujo másico de aire = 18.36 ⁄  = Densidad del aire = 1.1663 ⁄ A = Área de circulación del aire = 10.956  El área se obtuvo del plano ubicado en anexo.

       b.) Número de Reynolds

        c.) Número de Nusselt

   De Tabla 7.7 y 7.8 del libro Incropera:





  

    Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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d.) Coeficiente de convección externo

   []         B.) Coeficiente de convección para flujo interno Tabla N°09 PROPIEDADES DEL VAPOR (270°C) ρ = 15.39 Kg/m3 Densidad Calor Especifico Cp = 1.9953 KJ/Kg°C Viscosidad dinámica u = 0.018588*10^-3 Kg/m.s Conductividad k = 0.0373 W/m°C Numero de Prandl Pr = 0.9917 a.) Cálculo de la Velocidad

 ̇ [  ]    

]     ̇  [ 

Dónde: = espesor de tubería = 3.4 mm

  = 50 tubos         b.) Número de Reynolds

            Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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c.) Número de Nusselt

     d.) Cálculo del coeficiente de convección interno

 [  ]              C.) Coeficiente Global de transferencia

       []   

Dónde:  = Coeficiente de convección externa

  = Coeficiente de convección interna  = Conductividad térmica del tubo = 58 ⁄                 3.2.4. Cálculo de las nuevas superficies de transferencia de calor Habiéndose calculado los coeficientes de transferencia de calor para el sobrecalentador y Precalentador de la caldera a analizar, se encontró que en el Precalentador de aire, necesitaba un pequeño aumento de superficie, por lo que simplemente se consideró hacerle una limpieza en las tuberías internas de este. Caso diferente fue en la etapa de sobrecalentamiento de la caldera, donde el aumento de superficie era alto, por consiguiente se propuso instalar serpentines en la parte del sobrecalentador primario.


51




3.2.4.1. Para el Precalentador de aire En este caso como se mencionó anteriormente solo se propondrá realizar un plan de mantenimiento de las tuberías del Precalentador de aire, mejorando y manteniendo la buena transferencia de calor. En el cálculo anterior se determinó que el KG del Precalentador de aire con un balance de energía con parámetros de trabajo, en el cual se considera la suciedad en la tubería; donde se encontró que la superficie de intercambio de calor era elevada.

Sabiendo que la superficie de intercambio actual de calor es:

 *  +     

   

Donde:  = Calor útil necesario para el Precalentador de aire =

    = Coeficiente de transferencia de calor =    = Temperatura media logarítmica =    = Superficie de intercambio de calor          Se observa entonces que la superficie que se necesitará aumentar es de

 . Ahora veamos la diferencia que tendremos cuando consideremos parámetros mejorados.   *  +      Donde:  = Calor útil necesario para el Precalentador de aire =

    = Coeficiente de transferencia de calor =    = Temperatura media logarítmica =           Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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Como se puede observar la diferencia de superficies aquí es de

 , lo

que quiere decir que considerando la conductividad térmica de incrustación, se determina que las tuberías están con suciedad, por lo que se sugiere es realizar un mantenimiento interno de las tuberías de dicho intercambiador.

3.2.4.2. Para el sobrecalentador primario Al igual que en el caso del Precalentador de aire, se realizará un balance de energía para calcular la superficie de intercambio de calor, donde se considerará el coeficiente de suciedad; esto para determinar si tan solo se hará limpieza a las tuberías o será necesario el aumento de serpentines en el sobrecalentador primario.  Sabiendo que la superficie de intercambio actual de calor es:

   

Donde:

    

 = Calor útil necesario para el Precalentador de aire =    = Coeficiente de transferencia de calor =    = Temperatura media logarítmica =    = Superficie de intercambio de calor          Se observa entonces que la superficie que se necesitará aumentar es de . Ahora veamos la diferencia que tendremos cuando consideremos parámetros mejorados, así como también al coeficiente de conductividad térmica de incrustación, y los coeficientes de convección interna.

 

    

Donde:  = Calor útil necesario para el Precalentador de aire =

    = Coeficiente de transferencia de calor =    = Delta de Temperatura media =   Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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 = Superficie de intercambio de calor          Como se puede observar la diferencia de superficies aquí es de

 ,

lo que quiere decir que considerando la conductividad térmica de suciedad, se determina que se tendrá que realizar el aumento de serpentines en el sobrecalentador primario.

3.2.5. Cálculo de la caída de presión del vapor en el sobrecalentador Primero se calculara la caída de presión con parámetros de trabajo y posteriormente la caída de presión con la nueva superficie instalada. 3.2.5.1. Caída de presión con parámetros de trabajo Se considera realizar un análisis al exceso de caída de presión, la que afecta directamente el proceso de despacho de vapor, ya que se necesita esforzar a la caldera, para poder entregar una presión adecuada a la salida del sobrecalentador; es por eso que se necesita realizar una disminución de la misma. A continuación se demostrará a través del cálculo la solución al problema: A.) En el sobrecalentador primario a.) Pérdidas menores

    ∑  

Donde: = Velocidad del vapor sobrecalentado para un solo tubo =

   = Factor de pérdidas por accesorios =   = Gravedad =    = Pérdidas menores =  Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

 

54



Accesorios Codos Codos Codos Colector TOTAL


Tipo K Cantidad 90° 1.05 2 180° 1.05 7 15° 0.168 13 1 1 12.634

     ∑     b.) Pérdidas Mayores Para el análisis de pérdidas mayores se considerará, no solo la velocidad del vapor sobrecalentado, sino que también la longitud del sobrecalentador y el diámetro interior del mismo.

    ∑   Se considera calcular previamente el factor de fricción, por lo que tendremos:

 

   

Además se necesitará calcular el número de Reynolds, para lo cual utilizaremos la tabla N°6:

    De tablas:  =    ;  = Rugosidad de tubería =  Donde: = Velocidad del vapor sobrecalentado para un solo tubo =

  = Longitud total del sobrecalentador =    = Diámetro interior de la tubería =    = Gravedad =    = Factor de fricción =  Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

 

55




 = Pérdidas mayores   = Numero de Reynolds =   = viscosidad dinámica=    = Rugosidad =                    ∑     c.) Pérdidas totales En este cálculo tendremos la suma de las pérdidas mayores y menores, la que nos permitirá calcular directamente la caída de Presión.

     Donde:  = Pérdidas Menores =    = Pérdidas Mayores =         d.) Caída de Presión Aquí determinaremos la caída de presión la que apreciaremos según el cálculo es considerablemente alto.

Donde:

      

 = Pérdidas totales en el sobrecalentador =    = volumen Específico promedio del vapor =          Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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B.) En el Sobrecalentador secundario A continuación determinaremos la caída de presión en el sobrecalentador secundario, esto permitirá calcular la variación de presión total. a.) Pérdidas menores

    ∑  

Dónde: = Velocidad del vapor sobrecalentado para un solo tubo =

   = Factor de pérdidas por accesorios =  = Gravedad =    = Pérdidas menores =  Accesorios Tipo

K

Cantidad

Codos Codos Codos Colector TOTAL

1.26 1.05 0.084 1 12.13

1 9 5 1

90° 180° 15°

 

     ∑     b.) Pérdidas Mayores Para el análisis de pérdidas mayores se considerará, no solo la velocidad del vapor sobrecalentado, sino que también la longitud del sobrecalentador y el diámetro interior del mismo.


  Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

   

57




Además se necesitará calcular el número de Reynolds:

    De tablas:  =    ;  = Rugosidad de tubería =  Dónde:  = Velocidad del vapor sobrecalentado para un solo tubo =     = Longitud total del sobrecalentador =    = Diámetro interior de la tubería =    = Gravedad =    = Factor de fricción =   = Pérdidas mayores    = Numero de Reynolds =   = viscosidad dinámica=    = Rugosidad =                    ∑    c.) Pérdidas totales

     Dónde:  = Pérdidas Menores =   = Pérdidas Mayores =   Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

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      d.) Caída de Presión Aquí determinaremos la caída de presión la que apreciaremos según el cálculo es considerablemente alto. Según datos obtenidos la caída de presión debe estar dentro de 1 a 1.5 bar aproximadamente.

Dónde:

      

 = Pérdidas totales en el sobrecalentador =    = volumen Específico promedio del vapor =         

C.) Caída de presión total del sobrecalentador

      3.2.5.2. Caída de presión con parámetros mejorados Para realizar este cálculo primero debemos determinar la cantidad de tuberías a instalar en el sobrecalentador primario en base a la superficie necesaria calculada anteriormente. A.) Cálculo del número de tuberías a instalar en el sobrecalentador Para el aumento de transferencia de calor se necesitará realizar el aumento de tubos en la etapa de sobrecalentamiento de la caldera (sobrecalentador primario). Para realizar el siguiente análisis, se determinó la cantidad de superficie en un cálculo anterior; es por eso que se trabajará basándonos en datos ya obtenidos. Los diámetros recomendables para tuberías del sobrecalentador según bibliografía consultada es de 1.75 a 2.75 pulgadas.


59




El diámetro de la tubería a instalar será de 1.75 pulgadas, así se espera reducir la caída de presión.

    

Se tendrá que calcular primero, el área útil necesaria según la longitud de cada serpentín y el diámetro exterior de este.

   Donde:  = Área total necesaria para la transferencia de calor =

    = Área unitaria   = Diámetro exterior de la tubería =    = Longitud útil =      = Número de tubos calculados             

B.) Selección del Material de la tubería Para determinar la selección de material se debe tomar en cuenta la presión máxima que se pueda dar en la tubería en unidades PSI.

     Donde:  = Presión Manométrica =

      = Factor de seguridad =   = Esfuerzo permisible =         = Número de cedula para el material          Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

60




Se determinó según el cálculo seleccionar el material ASTM A-53 sin costura grado A. C.) Caída de Presión del vapor en el Sobrecalentador primario Para este cálculo se tuvo que realizar un cálculo iterativo, partiendo de un flujo másico probable, esto para determinar tan solo el desarrollo de cálculo; y así poder finalmente llegar al flujo real, y por ende determinar la velocidad real con la que circula el vapor por la tubería. A continuación se procederá a mostrar el desarrollo del cálculo:

 ̇    Asumimos un valor para el flujo másico para la tubería de 1.5 pulgadas, el que nos permitirá a través de la densidad y el diámetro de la tubería hallar una velocidad.

 ̇    ⁄

Donde:

 ̇ = Flujo másico del vapor =    = Densidad del vapor a la temperatura de 293.5°C =   = Diámetro interior de la tubería = 0.0313  = Velocidad =         ⁄ a.) Pérdidas Menores

    ∑  


  = Factor de pérdidas por accesorios =   = Gravedad =    = Pérdidas menores =  Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

 

61



Accesorios Codos Codos Codos Colector TOTAL


Tipo K Cantidad 90° 1.05 2 180° 1.05 7 15° 0.168 13 2 1 13.634

     ∑  b.) Pérdidas Mayores

    ∑  

Se considera calcular previamente el factor de fricción, por lo que tendremos:

        De tablas:  =    ;  = Rugosidad de tubería =   


  = Longitud total del sobrecalentador =    = Diámetro interior de la tubería =    = Gravedad =    = Factor de fricción =   = Pérdidas mayores   = Numero de Reynolds =   = viscosidad dinámica=    = Rugosidad =       Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

 

62




             ∑   c.) Pérdidas totales En este cálculo tendremos la suma de las pérdidas mayores y menores, la que nos permitirá calcular directamente la caída de Presión en el sobrecalentador primario.

         = Pérdidas Mayores =         Donde:  = Pérdidas Menores =

d.) Caída de Presión

       Donde:

 = Pérdidas totales en el sobrecalentador =    = volumen Específico promedio del vapor =          D.) Cálculo de la velocidad en las tuberías a instalar Para este cálculo se consideró un diámetro de tubería mayor, lo que nos permitirá disminuir la caída de presión para el sobrecalentador, además se recomienda colocar diámetros de tubería mayores que 1.5”.


63




a.) Pérdidas Menores

    ∑  

Donde: = Velocidad del vapor sobrecalentado para una sola tubería

  = Factor de pérdidas por accesorios =   = Gravedad =    = Pérdidas menores =  Accesorios Codos Codos Codos Colector TOTAL

Tipo 90° 180° 15°



K Cantidad 1.00 2 1.00 7 0.16 13 2 1 13.08

     ∑  b.) Pérdidas Mayores .

    ∑  

Se asume un factor de fricción, por lo que tendremos:

 Donde: = Velocidad del vapor sobrecalentado para una sola tubería

  = Longitud total del sobrecalentador =   = Diámetro interior de la tubería =    = Gravedad =    = Factor de fricción =   = Pérdidas mayores   = Numero de Reynolds =   = viscosidad dinámica=   Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton



64




 = Rugosidad =     ∑     c.) Pérdidas totales en función de la velocidad En este cálculo tendremos la suma de las pérdidas mayores y menores, la que nos permitirá calcular directamente la caída de Presión. Para calcular la velocidad en la nueva tubería recomendada, tuvimos que igualar las perdidas menores de la tubería de 1,5” con la nueva tubería de 1.75”, que según la teoría cuando existen tuberías en paralelo con el mismo líquido las pérdidas son las mismas, esto apoyado de un cálculo iterativo el que nos permitió además, después de tres posibles flujos, determinar la verdadera velocidad para ambas tuberías.

         = Pérdidas total = 341.1       Donde:

De esta manera se pudo determinar la velocidad verdadera para ambos flujos, tanto como para la tubería existente de 1.5” como para la tubería a instalar de 1.75”, las cuales no serán necesarias calcular debido a que este fue un cálculo iterativo, habiendo asumido ya las velocidades reales. E.) Caída de Presión de vapor en el Sobrecalentador secundario A continuación determinaremos la caída de presión en el sobrecalentador secundario, esto permitirá calcular la variación de presión total. a.) Pérdidas Menores

    ∑  


  = Factor de pérdidas por accesorios =, según Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

  65




 = Gravedad =    = Pérdidas menores =  Accesorios Codos Codos Codos Colector. TOTAL

Tipo 90° 180° 15°

K Cantidad 1.26 1 1.05 9 0.084 5 2 1 13.13

     ∑     b.) Pérdidas Mayores


          De tablas:  =    ;  = Rugosidad de tubería =  :

 


  = Longitud total del sobrecalentador =    = Diámetro interior de la tubería =    = Gravedad =    = Factor de fricción =   = Pérdidas mayores    = Numero de Reynolds =   = viscosidad dinámica=    = Rugosidad =       Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

 

66




             ∑    c.) Pérdidas totales

     Dónde:  = Pérdidas Menores =   = Pérdidas Mayores =         d.) Caída de Presión Aquí determinaremos la caída de presión la que apreciaremos según el cálculo es considerablemente alto. Según datos obtenidos la caída de presión debe estar dentro de 1 a 1.5 bar aproximadamente.

       Dónde:

 = Pérdidas totales en el sobrecalentador = 2510.8   = volumen Específico promedio del vapor =          Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

67




F.) Caída de Presión en Sobrecalentador

      3.3.

BALANCE EN LAS TURBINAS

3.3.1. Balance en las turbinas con parámetros de trabajo Se desea realizar el balance de energía en las turbinas que trabajan con vapor para determinar qué impacto ocasionará, después del aumento del nivel de sobrecalentamiento y del rendimiento en la caldera; esto para hacer un cuadro comparativo, y observar que beneficios tenemos después del análisis. 3.3.1.1. Balance de energía en la Turbina TGM Realizamos el balance de energía según los parámetros obtenidos por datos de instrumentación.

Donde:

       ̇

 ̇ = Flujo másico necesario para la Turbina TGM =    = Entalpía a la entrada de la Turbina =    = Entalpía a la salida de la Turbina =    = Rendimiento Mecánico =   = Rendimiento Generador Eléctrico =   = Potencia del Generador Eléctrico  Para realizar este cálculo y determinar las entalpías se consideró los siguientes parámetros:

  = Temperatura de Vapor a la entrada de la turbina TGM =     = Presión del vapor a la entrada de la turbina TGM =     = Temperatura de Vapor a la salida de la turbina TGM =     = Presión del vapor a la salida de la turbina TGM =   Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

68




      

A.) Rendimiento Isentrópica de la Turbina TGM Se Calculará el rendimiento Isentrópica de la turbina, para comparar el beneficio que esta tendrá con los parámetros mejorados.

      Donde:  = Entalpía a la entrada de la Turbina =

    = Entalpía real a la salida de la Turbina =   = Entalpía Ideal a la salida de la Turbina =         


69




B.) Diagrama de Sankey De la misma manera se realizará su respectivo diagrama de Sankey, para observar la energía aprovechada por la turbina y la energía perdida en el proceso. Además nos permitirá apreciar la eficiencia con que trabaja la turbina.

   ̇ 

Donde:  = Potencia del Generador Eléctrico

    ̇ = Flujo másico de vapor a la entrada de la Turbina TGM =    = Entalpía a la entrada de la Turbina TGM =  ⁄  = Eficiencia Energético de la Turbina          


70




3.3.1.2. Balance de energía en la Turbina BMA Realizamos el balance de energía según los parámetros obtenidos por datos de instrumentación. . Donde:

          ̇ 

 ̇  = Flujo másico necesario para la Turbina BMA =    = Entalpía a la entrada de la Turbina =    = Entalpía a la salida de la Turbina =    = Rendimiento Mecánico =   = Potencia del Generador Eléctrico  

Para realizar este cálculo y determinar las entalpías se consideró los siguientes parámetros:   = Temperatura de Vapor a la entrada de la turbina BMA =

     = Presión del vapor a la entrada de la turbina BMA =     = Temperatura de Vapor a la salida de la turbina BMA =     = Presión del vapor a la salida de la turbina BMA =              


71




A.) Rendimiento Isentrópica de la Turbina BMA Se Calculará el rendimiento Isentrópica de la turbina, para comparar el beneficio que esta tendrá con los parámetros mejorados.

    

Donde:  = Entalpía a la entrada de la Turbina =

    = Entalpía real a la salida de la Turbina =   = Entalpía Ideal a la salida de la Turbina =          

B.) Diagrama Diagrama de Sankey De la misma manera se realizará su respectivo diagrama de Sankey, para observar la energía aprovechada por la turbina y la energía perdida en el proceso. Además nos permitirá apreciar la eficiencia con que trabaja la turbina.

   ̇  


    ̇  = Flujo másico dede vapor a la entrada de la Turbina BMA BMA =    = Entalpía a la entrada de la Turbina BMA =   = Eficiencia Energético de la Turbina                


72




3.3.1.3. Balance de energía en la Turbina del Ventilador Realizamos el balance de energía según los parámetros obtenidos por datos de instrumentación. Para este análisis tomaremos como datos de tan solo un turboventilador, ya que los dos tienen los mismos m ismos parámetros de trabajo. . Donde:

          ̇ 

 ̇  = Flujo másico necesario para la Turbina del Ventilador = 6    = Entalpía a la entrada de la Turbina =    = Entalpía a la salida de la Turbina =    = Rendimiento Mecánico =   = Potencia del Generador Eléctrico  Para realizar este cálculo y determinar las entalpías se consideró los siguientes parámetros:

 = Temperatura de Vapor a la entrada de la turbina del Ventilador =     = Presión del vapor a la entrada de la turbina del Ventilador =   Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

73




  = Temperatura de Vapor a la salida de la turbina del Ventilador =     = Presión del vapor a la salida de la turbina del Ventilador =          

A.) Rendimiento Isentrópica de la Turbina en el Ventilador Se Calculará el rendimiento Isentrópica de la turbina, para comparar el beneficio que esta tendrá con los parámetros mejorados.

     

Donde:  = Entalpía a la entrada de la Turbina =

    = Entalpía real a la salida de la Turbina =   = Entalpía Ideal a la salida de la Turbina =          Zavaleta Hidalgo Jorge Cedron Varas Milton

74




B.) Diagrama de Sankey De la misma manera se realizará su respectivo diagrama de Sankey, para observar la energía aprovechada por la turbina y la energía perdida en el proceso. Además nos permitirá apreciar la eficiencia con que trabaja la turbina.

   ̇ 


    ̇ = Flujo másico de vapor a la entrada de la Turbina del Vent. =     = Entalpía a la entrada de la Turbina del Ventilador =    = Eficiencia Energético de la Turbina         


75




3.3.1. Balance a las turbinas con parámetros mejorados Después de haber hecho el balance energético en las Turbinas con los parámetros de trabajo, se procederá a realizar un balance de energía con parámetros mejorados; de manera que se pueda apreciar el impacto que ocasiona el aumento del nivel de sobrecalentamiento de vapor en la caldera. Para este caso solo se presentará un cuadro donde se pueda observar los nuevos datos obtenidos, después de realizar el cambio con parámetros mejorados.

BALANCE ENERGÉTICO CON PARÁMETROS MEJORADOS Turbina TGM 

Balance de Energía en Turbina



Eficiencia de la Turbina

Turbina BMA 





Turbina Turboventilador 





Reductora de Presión 

Balance de Exergía en Reductora


      

11.07 11.76 1.18 11.94 0.64 11.94 9.78

      

76



3.4.


Análisis económico

3.4.1. Consumo de bagazo anual actual Costo de bagazo anual =

   

            

3.4.1.1. Generación de potencia en soles de todo el balance en Fábrica actual

                     Egresos de costos en generación de Potencia =

De esta manera se observará el flujo de caja que existe actualmente, esto permitirá realizar una comparación el ahorro económico que ocasionará el aumento del nivel de vapor sobrecalentado y el rendimiento de la caldera. FLUJO DE CAJA AÑO

COSTOS OPERATIVOS

0

0

1

S/. 16 300 900

S/. 42 115 744

S/. 25 814 844

2

S/. 16 300 900

S/. 42 115 744

S/. 25 814 844

3

S/. 16 300 900

S/. 42 115 744

S/. 25 814 844


INGRESOS

FLUJO DE CAJA

0

0

77




3.4.2. Consumo de bagazo anual con parámetros mejorados Costo de bagazo anual =

   

            

3.4.2.1. Generación de potencia en soles de todo el balance en Fábrica actual

                    Egresos de costos en generación de Potencia =

FLUJO DE CAJA AÑO

COSTOS OPERATIVOS

INGRESOS

FLUJO DE CAJA

0

0

1

S/. 16 132 270

S/. 45 542 948

S/. 29 410 678

2

S/. 16 132 271

S/. 45 542 949

S/. 29 410 678

3

S/. 16 132 272

S/. 45 542 950

S/. 29 410 678

0

0

Se puede apreciar que se tendrá un incremento de los ingresos anuales ya que se redujo el flujo másico del combustible; y también se aumento la potencia de generación. Para poder observar mejor la ganancia económica que se tiene, se tuvo que asumir la generación de vapor como ingreso de dinero por cada MW-h entregada a las turbinas.

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78




CAPÍTULO IV: DISCUSION DE RESULTADOS


79




Los resultados de los balances de energía para el sistema sin optimizar y el sistema optimizado, se muestran en la tabla N°10. El rendimiento energético de la caldera se encontró en 60.12%, optimizándola se llegará alcanzar un rendimiento de 61.88%. Para el caso optimizado, y como condición de cálculo se redujo el exceso de aire a 1.6. Tabla N°10: Comparación de resultados obtenidos en caldera Valores en la Caldera con Parámetros: Rendimiento de la Caldera Cálculo de consumo de combustible Cálculo del flujo másico de aire Cálculo del flujo másico de gases de combustión Temperatura de los gases alcanzada en el Hogar Consumo Específico de Vapor Cálculo de Calor Total Producido Temperatura del agua de alimentación Temperatura en el Economizador Temperatura en el Vaporizador Temperatura en el Sobrecalentador Primario Temperatura en el Sobrecalentador Secundario Temperatura del aire a la entrada de los Pre Temperatura del aire que entra al hogar Temperatura de los gases de escape Superficie de Transferencia de Calor en Precalentador Superficie de Transferencia de Calor en Sobrecalentador Caída de Presión en el Sobrecalentador

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         

De trabajo 60.12 % 8.051 41.5 49.54 1046.7 °C 1.9 68112 KW 106°C 167°C 241°C 301°C 355°C 30.1°C 107.45°C 209.8°C 769.3  250  4.2 bar

⁄ ⁄ ⁄  ⁄ 

 

Optimizado 61.88 % 7.98 36.72 44.70 1154.8 °C 1.91 68725 KW 106°C 170°C 245°C 300°C 400°C 30.1°C 150°C 180°C 767  301.7  3.6 bar

⁄ ⁄ ⁄  ⁄ 

 

Luego de observar la comparación de los parámetros de trabajo con los mejorados se determina, que habrá una reducción de 217 en el consumo

⁄ de bagazo. Considerando un precio para el bagazo de 70 ⁄, tendremos un ahorro de 168 000 soles.

Por otro lado, si tenemos en cuenta un costo total de instalación aproximadamente de 61.9 , tendremos para la superficie adicional

⁄

necesaria para sobrecalentar el vapor un costo de S/. 3 217.50. En el análisis económico se tuvieron en cuenta tanto los materiales como la mano d obra.


80




Así mismo la tabla N°11 muestra una comparación de los balances de energía en turbinas. Tabla N°11: Valores del balance en Turbinas BALANCE ENERGÉTICO CON PARÁMETROS: Turbina TGM Balance de Energía en Turbina Eficiencia de la Turbina Turbina BMA Balance de Energía en Turbina Eficiencia de la Turbina Turbina Turboventilador Balance de Energía en Turbina Eficiencia de la Turbina Reductora de Presión Balance de Exergía en Reductora  











DE TRABAJO

      



10.15 10.89 %



1.08 11.16 %



0.59 11.07 % 9.63



OPTIMIZADO



11.07 11.76 %



1.18 11.94 %



0.64 11.94 % 9.78



Bajo las condiciones optimizadas, con el ahorro en bagazo y energía eléctrica, el costo de instalación de las tuberías en el sobrecalentador se recuperaría en 1 días. Estos resultados demuestran una viabilidad técnica – económica de la propuesta de mejora planteada.


81




CAPÍTULO V: CONCLUSIONES


82







Se logró concluir que es factible definir la factibilidad técnica del mejoramiento del rendimiento y nivel de sobrecalentamiento del vapor, a través del análisis energético de la caldera. El análisis nos permitió ubicar problemas en el sobrecalentador y precalentador de aire. 












En el Sobrecalentador se encontró una falta de superficie de intercambio de calor, la cual no le permitía entregar al vapor sobrecalentado de despacho a una temperatura de 400°C. En el precalentador de aire, se encontró que su coeficiente de transferencia de calor era bajo, Determinándose así que este se encontraba con un grado de suciedad alto, la que a su vez impedía elevar la temperatura de aire a 150°C.

Determinamos realizar un aumento de superficie de intercambio de calor para el sobrecalentador de 52  , equivalente a instalar 20 tubos de 1.75” en



paralelo al sobrecalentador primario, esto también permitirá disminuir la caída de presión por parte del vapor en la caldera. Por otra parte se determinó poder realizar un mantenimiento al Precalentador de aire, para que el residuo de la ceniza obstruya las tuberías, impidiendo así la buena transferencia de calor. El caso analizado redundó en múltiples beneficios respecto a la caldera original: aumento de 1.76 puntos en el rendimiento térmico de la caldera, reducción del consumo de bagazo (0.91%) y de la presión en el sobrecalentador de 4.2 bar a 3.6 bar. Con respecto gases de combustión, la temperatura de que sale por la chimenea, se obtuvo una reducción de la misma de 15.62%, mientras que el flujo se reduce en 9.8%. Se concluyó que la inversión realizada para este aumento de superficie de transferencia para el sobrecalentador tendrá un retorno de inversión en


83




CAPÍTULO VI: RECOMENDACIONES


84






Se recomienda utilizar el método como herramienta de análisis para mejorar el funcionamiento en cada etapa de la caldera; esto se deberá realizar mensualmente, así se evitarán posibles bajas en el rendimiento y déficit en la calidad del vapor.



Aumentar el grado de medición (instrumentación) de la caldera, principalmente en las temperaturas de gases de combustión, flujo de combustible, flujo de aire y temperatura de gases de escape de la caldera; permitiendo así realizar un mejor análisis y adecuado control de la misma.



Establecer un Mantenimiento bimensual en la limpieza del Precalentador de aire, ya que debido al reciente análisis se determinó que la suciedad en el interior de los tubos; afectan directamente en la transferencia de calor Gases de combustión – aire, evitando que ocurra una buena combustión en el hogar de la caldera.



Realizar un rediseño de la configuración de tuberías en la etapa de sobrecalentamiento, así como un nuevo cálculo para determinar el diámetro apropiado de la misma; ya que se observa una caída de presión elevada, causando así un esfuerzo en la caldera para producir vapor a la presión de despacho (32 bar manométrica).



Se recomienda también realizar un cambio de motor de mayor potencia en el ventilador de tiro forzado, que se realizará a partir de un análisis en la caída de presión; esto permitirá ganar mayor fuerza de succión.


85




CAPÍTULO VII: REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS


86




MARÍN HERNÁNDEZ, Juan José. “Balance Exergético de Calderas que quema Biomasa”, X Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana de Hidrógeno.27 de Septiembre del 2010.

YUNUS CENGEL, Michael Boles. Termodinámica. Mc Graw- Hill- México (1996). HUGOT. “Manual del Ingeniero Azucarero”. Año de 1963 SILVA LORA, Electo. “Calderas De Vapor Y Cogeneración En La Industria Azucarera”, Universidad Federal De Itajubá Minas Gerais / Brasil. Año del 2003 MARÍN HERNÁNDEZ. “Aplicación del método Exergético para determinar pérdidas separadas e irreversibles en Calderas Bagaceras”. Facultad de

Ingeniería

Mecánica

Eléctrica.

Año

2007.

p.10.

http://www.scribd.com/doc/38244335/Caldera-Azucarera

MARCOS A. GOLATO.” Inyección de aire secundario caliente en calderas de vapor bagaceras y su influencia en el rendimiento térmico”. Revista Industrial y

Agrícola de Tucumán. Año 2005.p.9. http://www.scielo.org.ar/pdf/riat/v82n1- 2/v82n1-2a03.pdf


87




ANEXOS


88




Tabla A-1 Propiedades físicas de los gases de combustión a p = 101325 Pa, con composición volúmica de los gases: CO2 = 13%; H2O = 11%; N2 = 76%

Temperatura (°C)

Densidad (Kg /m3)

Calor Conductividad Específico Térmica "K" (J/Kg °C) (w/m°k)

Viscosidad Viscosidad Dinámica cinemática N° de n*10-6 v*10-6 Prandt Pr (N*seg/m2) (m2/seg)

0

1.295

1.0450

2.2794

15.7842

12.20

0.72

100

0.950

1.6760

3.1284

20.3949

21.54

0.69

200

0.748

1.0969

4.0123

24.4955

32.80

0.67

300

0.617

1.1221

4.838

28.2331

45.81

0.65

400

0.525

1.1514

5.6987

31.6863

60.38

0.64

500

0.457

1.1849

6.5593

43.8549

76.30

0.63

600

0.405

1.2142

7.4199

37.8666

93.61

0.62

700

0.363

1.2393

8.2689

40.6918

112.10

0.61

800

0.329

1.2644

9.1528

43.3798

131.80

0.60

900

0.301

1.2895

10.0134

45.9108

152.50

0.59

1000

0.275

1.3063

10.8973

48.3633

174.30

0.58

1110

0.257

1.3230

11.7463

50.7078

197.10

0.57

1200

0.240

1.3398

12.6185

52.9936

221.00

0.56


89




Tabla A-2 Propiedades térmicas del agua

AGUA

0

999.9

4226

0.558

0.131

Viscosidad Dinámica n*10-6 (N*seg/m2) 1794

20

998.2

4182

0.597

0.143

1004

1.006

7.02

40

992.3

4178

0.633

0.151

653.0

0.658

4.34

60

983.2

4181

0.658

0.155

470.0

0.478

3.02

80

971.8

4194

0.673

0.165

353.7

0.364

2.22

100

958.4

4211

0.682

0.169

281.0

0.294

1.75

120

943.1

4245

0.685

0.171

233.0

0.247

1.45

140

926.1

4279

0.687

0.172

198.2

0.214

1.24

160

907.6

4338

0.682

0.173

171.5

0.189

1.10

180

887.0

4413

0.678

0.172

153.5

0.173

1.00

200

864.8

4501

0.665

0.170

129.0

0.160

0.94

220

840.5

4606

0.656

0.168

126.0

0.150

0.89

240

812.2

4752

0.639

0.164

116.0

0.143

0.87

260

784.0

4944

0.614

0.157

107.5

0.137

0.87

280

750.8

5204

0.583

0.150

101.4

0.135

0.92

300

712.5

6594

0.543

0.132

94.1

0.132

1.02

Calor Conductividad Dif. Térmica Temperatura Densidad Específico Térmica "K" a*10-6 °C (Kg /m3) (J/Kg °C) (w/m°C) (m2/seg)


Viscosidad cinemática v*10-6 (m2/seg) 1.789

N° de Prandt Pr 13.7

90




Tabla A-3. Propiedades Térmicas del aire Calor Temperatura Densidad Específico °k (Kg /m3) (J/Kg °C)

Viscosidad Dinámica n*10-6 (N*seg/m2)

Viscosidad Cinemática v*10-6 (m2/seg)

Conductividad Térmica "K" (w/m°C)

Dif. Térmica a*10-6 (m2/seg)

N° de Prandt Pr

100

3.601

1.027

0.692

1.92

0.0092

0.0250

0.770

150

2.3675

1.010

1.028

4.34

0.0137

0.5750

0.753

200

1.7684

1.006

1.329

7.49

0.0181

0.1017

0.739

250

1.4128

1.005

1.488

10.53

0.2230

0.1316

0.722

300

1.1774

1.006

1.983

16.84

0.0262

0.2216

0.708

350

0.9980

1.009

2.075

20.76

0.0300

0.2983

0.697

400

0.8826

1.014

2.286

25.90

0.0336

0.376

0.689

450

0.7833

1.021

2.484

31.71

0.0371

0.4222

0.683

500

0.7048

1.030

2.671

37.90

0.0404

0.5564

0.680

550

0.6423

1.039

2.848

44.34

0.0436

0.6532

0.680

600

0.5879

1.055

3.018

51.34

0.0466

0.7512

0.680

650

0.5430

1.063

3.177

58.51

0.0495

0.8578

0.682

700

0.5030

1.075

3.332

66.25

0.0523

0.9672

0.684

750

0.4709

1.086

3.481

73.91

0.0551

1.0774

0.686

800

0.4405

1.098

3.625

82.29

0.0578

1.1981

0.689

850

0.4149

1.109

3.765

90.75

0.0603

1.3097

0.692

900

0.3925

1.121

3.899

99.30

0.0628

1.4271

0.696

950

0.3716

1.132

4.023

108.20

0.0653

1.5510

0.699

1000

0.3524

1.142

4.152

117.80

0.0675

1.6779

0.702

1100

0.3204

1.160

4.440

138.60

0.0732

1.9690

0.704

1200

0.2947

1.179

4.690

159.10

0.0782

2.2510

0.707

1300

0.2707

1.197

4.930

182.10

0.0837

2.5830

0.705

1400

0.2515

1.214

5.170

205.50

0.0891

2.9200

0.705

1500

0.2355

1.230

5.400

229.10

0.0946

3.2620

0.705

1600

0.2211

1.248

5.630

254.50

0.1000

3.6090

0.705

1700

0.2082

1.267

5.850

280.50

0.1050

3.9770

0.705

1800

0.1970

1.287

6.070

308.10

0.1110

4.3790

0.704

1900

0.1858

1.309

6.290

338.50

0.1170

4.8110

0.704

2000

0.1762

1.338

6.500

369.00

0.1240

5.2600

0.702

2100

0.1682

1.372

6.720

399.60

0.3100

5.7150

0.700

2200

0.1602

1.419

6.930

432.60

0.1390

6.1200

0.707

2300

0.1538

1.482

7.140

464.00

0.1490

6.5400

0.710

2400

0.1458

1.574

7.350

504.00

0.1610

7.0200

0.718

2500

0.1394

1.688

7.570

543.50

0.1750

7.4410

0.730


91

Tesis 2-¦ parte (Zavaleta & Cedron)

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