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Daniel lvarez
18/05/2013
CORPOELEC, Empresa Elctrica Socialista, adscrita al
Ministerio del Poder Popular de Energa Elctrica, es una
institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el
sector elctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de
un servicio elctrico confiable, incluyente y con sentido social.
Las calderas de dicha empresa funciona con combustible
pesado que en la actualidad es ineficiente, por ende la
conversin a gas de estos generadores de vapor, conducir a la
eficiencia del ciclo agua vapor, mejorado el circuito de
generacin del sistema elctrico nacional, con el propsito de
demostrar que tan eficiente es el gas natural con respecto al
combustible pesado para evaluar su factibilidad econmica.
Evaluacin Tcnica - Econmica para la conversin a gas
de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO - CORPOELEC
-
REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD
NACIONAL EXPERIMENTAL RAFAEL MARIA BARALT
VICE RECTORADO ACADEMICO PROGRAMA: INGENIERIA Y
TECNOLOGA PROYECTO: INGENIERIA DE GAS
SEDE: LOS PUERTOS DE ALTAGRACIA
EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE
LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC
Trabajo especial de grado para optar al ttulo de ingeniero de gas.
Autor
Daniel lvarez
19.614.265
Tutor Acadmico Tutor Metodolgico
Msc. Davison Matos Msc. Yovis Velasquez
Tutor Industrial
Ing. Jorge Martnez
Los Puertos de Altagracia, Septiembre del 2013
-
EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE
LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC
-
REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
RAFAEL MARIA BARALT
VICERRECTORADO ACADEMICO
PROGRAMA INGENIERIA Y TECNOLOGIA
PROYECTO INGENIERIA DE GAS
EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE
LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC
Proyecto especial de grado para optar al ttulo de Ingeniero de Gas
Autor
Daniel lvarez
19.614.265
_________________________ ___________________________
Tutor Acadmico Tutor Metodolgico
Msc. Davison Matos Msc. Yovis Velasquez
________________________________
Tutor Industrial
Ing. Jorge Martnez
Los Puertos de Altagracia, Septiembre de 2013
-
DEDICATORIA
A LA INSTITUCIN Por ofrecerme los conocimientos necesarios para el
desarrollo laboral y profesional en el rea, el cual va en mi vocacin y personalidad.
A LA ORGANIZACIN Por brindarme la oportunidad de mi primera
experiencia laboral como inicio de mi carrera como profesional y la oportunidad de
poner en prctica los conocimientos adquiridos en la casa de estudio.
A MIS TUTORES Por la confianza de poner en mis hombros una tarea
importante para la corporacin, y los conocimientos brindados durante mi estada
en la universidad.
A MIS PADRES Por el apoyo incondicional en lo que necesitara para poder
llevar a cabo con toda satisfaccin y llenar las expectativas que tena para mi carrera
universitaria.
A ESA PERSONITA ESPECIAL Por aguantarse todas mis tonteras y estar
pendiente de m en todo lo que hiciera, que me hace sentir que por ella me comera
el mundo y as llegar a donde estoy. TE AMO NENA.
A MIS AMIGOS Por el apoyo tanto en los momentos ms difciles hasta
cuando no los necesitara, pero siempre s que estn all para lo que se presente.
A LOS COMPAEROS DEL DEPARTAMENTO Por armarse de
paciencia para poder despejar todas mis dudas durante la estada en la empresa y
el apoyo incondicional en lo que necesitara para el desarrollo de mi proyecto.
Por ltimo pero no menos importante le dar gracias a todo el proceso que
engloba la REVOLUCION, por promover la creacin del nuevo Ciudadano con tica
V
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social y hermandad, impulsar polticas de innovacin de nuevas tecnologas y
estrategias y el fomento a la juventud venezolana a incorporarse a la demanda de
profesionales que la patria necesita.
Solo me queda agregar una frase de un personaje importante de la msica
latinoamericana, el 20 de septiembre 1997 en el Estadio de River Plate tras la
finalizacin de la cancin Msica Ligera
No solo no hubiramos sido nada sin ustedes, sino con toda la gente que
estuvo a nuestro alrededor desde el comienzo;
GRACIAS TOTALES
Gustavo Cerati
Vocalista y Guitarrista de Soda Stereo
DANIEL ALVAREZ
VI
-
AGRADECIMIENTO
A la Universidad Nacional Experimental Rafael Mara Baralt por abrirme
sus puertas, siendo mi segundo hogar, y as darme la oportunidad de
formarme como profesional y como persona.
A mis familiares y amigos por ser y estar siempre ah apoyndome en
todo momento y gracias a ellos estoy donde estoy, culminando ms que una
meta, unos de los tantos sueos que tengo delante por cumplir. Sin sueos
no habra una vida con sentido
A todos los profesores, especialmente, a mis tutores, por haber
contribuido a la formacin y armndose de paciencia despejando tantas dudas.
A CORPOELEC quien gustosamente brindo su colaboracin para
cumplir con los objetivos planteados para este trabajo.
lvarez
VII
-
NDICE GENERAL Pg.
VEREDICTO.. IV
DEDICATORIA..... V
AGRADECIMIENTO VII
NDICE GENERAL... X
NDICE DE CUADROS XII
NDICE DE FIGURAS.. XIII
RESUMEN XV
INTRODUCCIN.................................................................................... 1
CAPITULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del problema................................................................... 4
Formulacin del problema...................................................................... 7
Objetivos de la investigacin.. 8
Objetivo general...................................................................................... 8
Objetivos especficos.............................................................................. 8
Justificacin de la investigacin.............................................................. 8
Delimitacin de la investigacin. 11
Delimitacin espacial.............................................................................. 11
Delimitacin temporal............................................................................. 11
Delimitacin conceptual. 11
CAPITULO II
MARCO TERICO
Antecedentes de la Investigacin........................................................... 12
-
Bases tericas........................................................................................ 14
Conversin de calderas a gas.... 14
Calderas.... 14
Caderas acuotubular.............................................. 15
Economizador.. 16
Domo. 16
Sobrecalentadores.. 17
Evaporador.. 17
Recalentador 17
Estacin de gas natural... 18
Sistemas de medicin y flujo.. 19
Vlvulas de cierre. 22
Vlvulas de seguridad. 22
Vlvulas reguladoras... 23
Filtros. 23
Red interior de tubera. 24
Quemadores. 25
Ventilador de tiro forzado.... 26
Ventilador recirculador de gases 27
Calentador de aire con condensado.. 27
Calentador de aire con vapor..... 27
Calentador de aire regenerativo. 28
Ciclo de potencia.. 29
Ciclo de potencia de vapor.. 29
Ciclo Rankine 29
Ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento intermedio 30
Maquinas trmicas 31
Calor 32
Transferencia de calor. 32
Temperatura. 34
-
Eficiencia. 34
Poder calorfico. 37
Teora inorgnica de la combustin...... 38
Llama..... 40
Temperatura de la llama. 41
Gasodinamica de la combustin 42
Emisividad de la llama. 42
Aire de combustin.. 44
Exceso de aire.. 45
Poder calorfico del aire... 45
Gas natural 45
Anlisis ORSAT 47
ASME PTC 4.1. 49
Definicin de trminos bsicos.. 60
Sistema de Variables 63
Variable. 63
Conceptualizacin de la variable 63
Operacionalizacin de la variable.. 63
CAPITULO III.
MARCO METODOLOGICO
Tipos de investigacin............................................................................ 65
Diseo de la Investigacin...................................................................... 66
Unidad de anlisis 67
Tcnica para la recoleccin de informacin. 68
Procedimiento de la investigacin........................................................... 70
CAPTULO IV
ANLISIS DE LOS RESULTADOS
-
Conversin a gas de las calderas de PLANTA CENTRO
CORPOELEC 74
Objetivo nmero 1: condiciones actuales de las calderas 3 y 4 de
PLANTA CENTRO CORPOELEC.. 75
Sistema de alta presin... 75
Economizador.. 75
Domo..... 75
Evaporador... 75
Sobrecalentadores. 75
Recalentador 76
Sistema de aire gases.. 78
Ventilador de tiro forzado.... 78
Precalentadores de aire.. 79
Precalentadores de aire con condensado.. 79
Precalentador de aire con vapor 79
Calentador de aire regenerativo. 79
Ventilador recirculador de gases 80
Combustible pesado 80
Quemadores. 81
Objetivo nmero 2: comportamiento de eficiencia del fuel ol y gas
natural. 82
Prdida del Gas de combustin seca 83
Prdida debido a la humedad de la combustin de hidrgeno. 83
Prdida por radiacin y conveccin... 85
Prdidas "No contabilizadas". 85
Utilizando datos de eficiencia de caldera. 85
Objetivo nmero 3: parmetros tcnico - econmicos para la
conversin a gas de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO
CORPOELEC...... 89
-
Combustible.. 93
Mantenimiento.. 95
Generacin... 100
Objetivo nmero 4: establecer las estrategias para la conversin a gas
de las calderas de PLANTA CENTRO-
CORPOELEC 102
Revisin de transferencia de calor entre zonas radiante y convectiva 102
Evaluacin de la habilidad de los materiales (tubos, economizador,
sobrecalentador) para las nuevas temperaturas. 103
Estudio de dilataciones estructurales frente a nuevas exigencias... 105
Revisin y adecuacin de equipos de la caldera 105
Anlisis adicionales. 106
CONCLUSIONES................................................................................... 107
RECOMENDACIONES.......................................................................... 108
BIBLIOGRAFA....................................................................................... 109
-
Cuadro NDICE DE TABLAS Pg.
1 Contenido del gas natural 46
2 Cuadro de operacionalizacion de la variable. 52
3 Aplicacin factores para convertir el anlisis de Gas hmedo
para secar Gas base 76
4 Aplicacin anlisis tpico para los combustible fsiles
comunes. 76
5 Datos tomados de la unidad Nro. 3. 81
6 Datos tomados de la unidad Nro. 1. 82
7 Resultados de la cromatografa de gases 83
8 Anlisis de combustible pesado 84
9 Normalizacin de gases 85
10 Normalizacin de gases 86
11 Demanda de energa vs gas equivalente 88
12 Especificacin de las lneas de tubera 89
13 Especificacin de medidores de flujo 90
14 Especificaciones de los quemadores 91
15 Evolucin de costos de combustible y comparacin de
costos fuel ol y gas natural 92
16 Costos de actividades de mantenimiento con fuel ol 93
17 Costos de actividades de mantenimiento con gas natural 96
18 Generacin en el mes de marzo 2013 PLANTA CENTRO
CORPOELEC 99
-
Figura NDICE DE FIGURAS Pg.
1 Caldera Acuotubular 15
2 Sistema de medicin de flujo 20
3 Sistema de medicin de energa total. 21
4 Vlvula de seguridad. 22
5 Vlvula reguladora. 23
6 Filtros... 24
7 Esquema del quemador RSFC 26
8 Esquema de CAC.. 27
9 Esquema de CAR o LUVO 28
10 Esquema del ciclo Rankine.. 30
11 Esquema del ciclo Rankine regenerativo con
recalentamiento intermedio.. 31
12 Principio de mquinas trmicas.. 31
13 Mecanismo de combustin de metano.. 39
14 Reaccin y poder calorfico de varios hidrocarburos 40
15 Temperatura de la llama de varios componentes. 41
16 Representacin de gasodinamica del quemador.. 42
17 Emisividad de la llama segn su combustin. 44
18 Poder calorfico del gas natural 47
19 Calderas 3 y 4. 70
20 Entradas y salidas de calor de la caldera 72
21 Perdidas principales de calor en la calderas.. 73
22 Radiacin y perdidas por conveccin para vario tamaos de
calderas.. 79
23 Grafica de sustitucin recomendadas de tubos en las
paredes de la caldera 102
-
Autor: Daniel lvarez. Tutores: MSc. Davison Matos, MSc. Yorvis Velzquez y
Ing. Jorge Martnez, Evaluacin Tcnica - Econmica para la conversin a gas
de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO - CORPOELEC. Universidad Nacional
Experimental Rafael Mara Baralt, Trabajo especial de grado para optar al
ttulo de Ingeniero de gas. Los Puertos de Altagracia, Septiembre 2013.
RESUMEN
La presente investigacin tiene como objetivo general, Evaluar la factibilidad
tcnica econmica para la conversin a gas de las calderas 3 y 4 de Planta Centro-
CORPOELEC. sta investigacin se considera descriptiva segn, Hernndez,
Fernndez y Baptista (2006), los estudios descriptivos miden, evalan o recolectan
datos sobre diversos aspectos, dimensiones o componentes del fenmeno a
investigar. El diseo de la investigacin se considera de campo no experimental y de
proyecto factible, segn Chvez (2001), ya que los datos necesarios para el estudio
son tomados directamente desde la organizacin, pero sin influir en ella a travs de
un instrumento recoleccin de datos, diseados para tal fin. La unidad de anlisis
corresponde a las unidades 3 y 4 de PLANTA CENTRO CORPOELEC, adems de
la unidad 1 para el estudio de la experiencia de conversin de gas natural. La gestin
para la conversin a gas de calderas resulta de gran valor para la produccin debido
a que a travs de ella se puede obtener fcilmente reduccin de costos y emisiones
de gases invernadero, as a travs de enlaces poder comparar las calderas existentes
en la empresa y determinar la productividad de cada una de ellas. Para realizar la
conversin a gas natural de las calderas de PLANTA CENTRO - CORPOELEC es
recomendable seguir una serie de etapa con estudio especializados los cuales
ayuden a evaluar las fallas que se puedan presentar en el proceso de conversin y la
puesta en marcha del bloque de servicio.
Palabras clave: Conversin a gas Calderas Generadores de Vapor -
Eficiencia.
XV
-
1
INTRODUCCIN
El panorama energtico internacional evoluciona aumentando
continuamente la demanda de energa como consecuencia del crecimiento
mundial de la poblacin, aumento de la calidad de vida en los pases
desarrollados y sub desarrollados, mayores expectativas de vida, gran
desarrollo industrial de ciertos pases. En definitiva, el desarrollo de los pases
siempre est vinculado a un aumento de la demanda energtica que viene
siendo imparable en todo el mundo desde el comienzo de la revolucin
industrial.
El uso racional de energa implica una valoracin del recurso energtico
en la cadena productiva, una generacin de una cultura de ahorro y una
implementacin de acciones para mejorar la eficiencia de los equipos
consumidores de recursos energticos, as como tambin el diseo de
estrategias de sustitucin de energticos. Los recursos energticos utilizados
en el mundo con mayor frecuencia son aquellos que son agotables y, por lo
tanto, deben ser valorados responsablemente para garantizar a las
generaciones venideras las adecuadas condiciones de subsistencia. En este
sentido, el uso racional de la energa es una alternativa orientada a eliminar
el desperdicio y el uso innecesario de la misma, sin disminuir la calidad de vida
de los habitantes.
Las centrales termoelctricas consisten en una caldera, en la que se
quema el combustible para generar calor que se transfiere a unos tubos por
donde circula agua, la cual se evapora. El vapor obtenido, a alta presin y
temperatura, se expande a continuacin en una turbina de vapor, cuyo
movimiento impulsa un alternador que genera la electricidad. Luego el vapor
es enfriado en un condensador donde circula por tubos agua fra de un caudal
abierto de un ro o por torre de refrigeracin.
Es de vital importancia dar a conocer entre otras cosas las ventajas del
gas natural con respecto a los combustibles buscando el mejoramiento de la
-
2
industria y el uso racional de energa que permite maximizar la productividad,
eficiencia y la competitividad de las empresas, as como ayudar a reducir el
impacto ambiental, puesto que redundan directamente en la disminucin de la
emisin de gases de efecto invernadero asociados con los procesos de
generacin elctrica y de calor.
En Venezuela en los ltimos aos se han incrementado las normas y
leyes con respecto a la prevencin del medio ambiente aplicable tanto a
empresas pequeas como grandes. Tal como es caso de La empresa
CORPOELEC, que es una empresa elctrica socialista del estado
venezolano, adscrita al ministerio del poder popular de energa elctrica, es
una institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el sector
elctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de un servicio elctrico
confiable, incluyente y con sentido social. El objetivo de la investigacin surge
con la necesidad de evaluar la viabilidad tecno econmico para la conversin
a gas de las calderas 3 y 4 de Planta Centro-CORPOELEC.
Se debi comprender los diferentes estatutos de los cdigos
internacionales para el anlisis de conversin para este tipo de recipientes; por
lo tanto esta evaluacin fue regida bajo las especificaciones del cdigo
A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers), tanto para las pruebas
de eficiencia (ASME PTC 4.1) como para los aspectos tcnicos (ASME Boiler
& Pressure vessel code).
De acuerdo a lo anteriormente planteado, la presente investigacin se
presenta de la siguiente manera:
El Captulo I: Establece las caractersticas del caso tomado en el
estudio, sus objetivos, la pertinencia e importancia de la investigacin as como
su delimitacin en un intervalo espacio-tiempo determinado.
El Captulo II: Muestra ciertos trabajos relacionados directos e
indirectamente con el tema que apoyan la consecucin del estudio realizado,
los diferentes fundamentos tericos existentes, los trminos que han sido
involucrados al tema y el anlisis del sistema de variable.
-
3
El Captulo III: Plantea el tipo de investigacin y su diseo, la poblacin
y la muestra, el instrumento de recoleccin de la informacin.
El Captulo IV: Se presenta las estrategias para la conversin a gas de
las calderas con todos los anlisis demostrados a lo largo de la investigacin,
muestra la presentacin de los resultados, su anlisis y discusin. Por ltimo,
se presentan las conclusiones del trabajo y las recomendaciones producto del
anlisis de la problemtica presente, el listado de referencias bibliogrficas que
fundamentaron la investigacin y los anexos que brindan soporte a los
aspectos tratados en el estudio.
-
4
CAPITULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del problema
A principios de los aos veinte, en la industria se inici la aplicacin de
temperaturas de proceso, presiones, reactivos y otras condiciones que
estaban ms all de las caractersticas de los materiales existentes en esos
das, para ese entonces no se contaba con intercambiadores de calor mucho
menos los materiales y aleaciones para llevar a cabo su fabricacin, lo cual
llego a ser falta debido a los procesos que se ejercan para ese entonces en
el sector petrolero y energtico.
Las calderas son dispositivos de ingeniera diseados para generar
vapor debido a una transferencia de calor, proveniente de la transformacin
de la energa qumica del combustible mediante la combustin, en energa
utilizable (calor), y transferirla al fluido de trabajo (agua en estado lquido), el
cual la absorbe y cambia de fase (se convierte en vapor).
Estas forman parte de los equipos ms usados en la industria a nivel
mundial y los mayores responsables de consumo de combustibles en este
sector, por lo tanto, mantenerlas trabajando con una buena eficiencia redita
beneficios importantes para cualquier empresa. Generadores de vapor es un
trmino que est siendo utilizado en la actualidad para reemplazar la
denominacin de caldera. El cual indica al conjunto de equipos compuestos
por, horno u hogar, cmaras de agua o evaporador, quemadores,
sobrecalentadores, recalentadores, economizador y precalentador de aire.
Se comprende que el trmino de caldera ha sido por mucho tiempo
utilizado, lo cual es muy comn la confusin entre caldera y generador de
vapor, pero la diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado
(vapor seco) y el otro genera vapor saturado (vapor hmedo). En la mayora
-
5
de las empresas e incluso en de uso domstico las calderas o generadores de
vapor funcionan con el mismo principio con la diferencia en el diseo de la
mquina. La produccin de vapor a partir de la quema de combustibles fsiles
se utiliza en todo tipo de industrias de transformacin de materias primas y en
las centrales termoelctricas.
A travs del tiempo se ha desarrollado en base a la energa qumica
almacenada por la naturaleza en los combustibles fsiles y actualmente
depende de su disponibilidad, comercializacin y empleo. El carbn mineral
impulso la revolucin industrial y suministr la energa que cambi el mundo
en el siglo XIX; en el siglo XX, el petrleo se convirti en el oro negro que
domin la civilizacin y determin el ritmo de la economa del planeta.
Teniendo en cuenta que el desarrollo de la tecnologa y la evolucin de
los precios del petrleo han permitido la explotacin, transporte y distribucin
del gas natural con todas sus ventajas y posibilidades tcnicas, econmicas y
ecolgicas, convirtindolo en el combustible del siglo XXI. De modo que se
han realizado experiencias de conversiones a gas en calderas de diferentes
empresas a todo lo largo y ancho del mundo con resultados satisfactorios.
Cabe considerar que hay pases lderes en el tema del uso racional de
la energa y la utilizacin del gas como combustible, entre ellos tenemos:
E.E.U.U. toda la UNIN EUROPEA, JAPN y otros que sufren las
consecuencias de la escasez de energa y deben utilizarla de la forma ms
eficientemente posible. Entre los pases de habla hispana que han trabajado
ms en esta rea son Mxico y Espaa. Entre las instituciones importantes
que han escrito documentos relacionados al tema, se tienen: NALCO ITALY,
CADEM, Ministerio de Industria y Energa de Espaa, SPIRAX-SARCO,
ENERBUS.
De igual modo, en Mxico, se observaron datos de las plantas de
servicio pblico y de los autos productores en el 2009, se generaron 216,456
GWh (Giga Watts) a partir de fuentes combustibles. Para lograr dicha
generacin, se consumieron 1,919,697 TJ (Toneladas Joule) de combustibles
-
6
fsiles y renovables, resultando en una eficiencia global de 40.6%. Entre 2000
y 2009, la eficiencia global de las plantas de generacin de electricidad
aument 5.7 puntos porcentuales.
Para ilustrar mejor en Venezuela, existen empresas de gran
envergadura como PDVSA (Petrleos de Venezuela) y CORPOELEC
(Corporacin Elctrica) disponen de calderas en sus procesos tanto para
generacin de energa como para el calentamiento de petrleo, he inclusive
CORPOELEC usa este vapor para cumplir ambas funciones, tambin existen
gran variedad de empresa que manejan calderas, pero usan agua para los
procesos de aceites, plsticos, entre otros materiales pero siempre bajo el
mismo principio.
La empresa CORPOELEC, es una empresa elctrica socialista del
estado venezolano, adscrita al ministerio del poder popular de energa
elctrica, es una institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el
sector elctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de un servicio
elctrico confiable, incluyente y con sentido social.
Con una planta termoelctrica ubicada en el centro del pas,
especficamente en Punta Morn, distrito Juan Jos Mora (Estado Carabobo),
denominada Planta Centro, la cual est en operacin desde el ao 1978, y es
el complejo termoelctrico con mayor capacidad de generacin de energa
instalada (2000 Mw). Adems cabe destacar que dicha planta es la ms
grande de Latinoamrica, generados por 5 unidades de 400 Mw cada una, a
travs de sistemas acoplados por medios de la sub-estacin: el Isidro (edo.
Falcn), Cabudare (edo. Lara), la arenosa (edo. Carabobo) representando el
cincuenta y dos por ciento (52%) de la produccin de CORPOELEC.
Esta se comprenden en dos etapas; la primera etapa se construyeron
las unidades 1 y 2 por el consorcio alemn BORSIG, la unidad 1 es la que
actualmente se encuentra trabajando con gas natural, conversin que se hizo
por la empresa italiana ALSTOM POWER, y la segunda etapa figuran las
unidades 3,4 y 5 construidas por la empresa japonesa BABCOCK & WILCOX
-
7
HITACHI, en esta etapa la unidad 5 se est preparando para el cambio a gas
natural por UNE en convenio CUBANO-VENEZOLANO, faltando solo as las
unidades 3 y 4 por la conversin, Estas calderas son de tipo acuotubulares de
dos pasos con recalentamiento que funciona con combustible pesado (Fuel
Ol Nro. 6).
Actualmente existen nuevas tecnologas ms eficiente, que no solo se
refieren al rendimiento trmico de los generadores de vapor, sino todas sus
ventajas de seguridad, tanto para el personal que labora en estas calderas,
por ser el gas natural menos agresivo que otros combustible, se reducen los
cost y horas de trabajo hombre de mantenimiento, adems de ser amigable
con el ambiente por la bajas emisiones de CO2, CO y NOx entre otros. Por
ende y no es de obviar que la conversin a gas de estos generadores de
vapor, conducir a la eficiencia del ciclo aguavapor, con propsito de
demostrar que tan eficiente es el gas natural con respecto al combustible
pesado para evaluar su factibilidad econmica.
Con esto se ha llegado al ncleo de la importancia del presente proyecto
el cual radica en lo valioso que sera para la industria VENEZOLANA, contar
con resultados de una investigacin que evale y compare el rendimiento de
calderas convertidas a gas natural en comparacin al rendimiento obtenido de
otros combustibles; conduciendo a tomar decisiones fundamentadas con
respecto a la conversin a gas natural de las calderas en PLANTA CENTRO-
CORPOELEC.
Formulacin del problema
Con relacin a lo planteamiento anteriormente descrito y teniendo en
cuenta que uno de los principales objetivos de la empresa elctrica
venezolana, es obtener el mayor rendimiento posible de los equipos que
impactan de manera directa en la generacin de energa elctrica, se hace
necesario formular la siguiente interrogante:
-
8
Cmo sera la evaluacin tcnica econmica de la conversin a gas de
las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO-CORPOELEC?
Objetivos de la investigacin
Objetivo general
Evaluar la factibilidad tcnica econmica para la conversin a gas de las
calderas 3 y 4 de Planta Centro-CORPOELEC.
Objetivos especficos
Diagnosticar la situacin actual de las calderas 3 y 4 de PLANTA
CENTRO CORPOELEC.
Conocer el comportamiento de la eficiencia del fuel ol y gas natural.
Analizar los parmetros tcnicos - econmicos para la conversin a gas
de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO CORPOELEC.
Establecer estrategias para la conversin a gas de las calderas 3 y 4 de
PLANTA CENTRO-CORPOELEC.
Justificacin de la Investigacin
En lneas generales la investigacin se realiz con el fin de diversificar
la matriz de energa primaria y adecuar el consumo energtico a los mejores
estndares de eficiencia incorporando el gas natural como otra fuente de
energa alternativa, con el motivo de fortalecer y ampliar el sistema elctrico
nacional beneficiando a la poblacin venezolana.
As mismo, surge la necesidad de fortalecer nuestra industria energtica
por la creciente demanda de la poblacin, mejorando la eficiencia de las
-
9
calderas de vapor con el uso del gas natural y evaluando la aplicacin de
tecnologa de cogeneracin para un sostenido desarrollo integral energtico.
Por consiguiente la investigacin evaluara los parmetros tcnicos y
econmicos para la conversin a gas de las unidades 3 y 4 de PLANTA
CENTRO-CORPOELEC, con el propsito de reducir las problemticas
referentes a la quema de combustibles fsiles y subsiguiente las emisiones de
gases invernaderos contribuyendo a el deterioro de la capa de ozono, adems
disminuir los costos de mantenimiento por ser menos agresivo el gas natural
en comparacin a otros combustibles y asimismo evitar los gases, el holln,
vanadio y otros agentes contaminantes dainos para la salud tanto para el
ambiente como para los trabajadores que laboran en estas calderas.
Es importante sealar que estas unidades tienen ms de 50 aos en
servicio con equipos que existen desde el principio del arranque de la unidad,
todo lo mencionado anteriormente perjudica a sistema de generacin de vapor
bajando su rendimiento y vida til de la mquina, con esto se planificara una
modernizacin y automatizacin de los equipo de las calderas
correspondientes a cada unidad generadora.
Finalmente, se presenta este proyecto de tan vital importancia, cuya
finalidad es garantizar, ms all de la vialidad que sea en lo tcnico y
econmico, sino que la maquina trabaje bajo parmetro aceptable y seguro
desde el punto de vista operacional y humano, no dejando a un lado sus
ventajas respecto a seguridad y por ultimo pero no menos importante la
ventajas ecolgicas, teniendo en cuenta estos factores, automticamente nos
conducir a que nos brinde un eficiente funcionamiento, cumpliendo la funcin
correcta, segura y adecuada en el proceso de generacin elctrica.
Los aportes del estudio estn dados desde los siguientes criterios:
En lo social, el beneficio es directamente con la comunidad, debido a
que si el sistema de generacin elctrica posee un buen rendimiento, garantiza
el fluido de electricidad para todas las comunidades involucradas al cual la
empresa suministra directamente.
-
10
En lo econmico, esta mejora en el sistema de la caldera influye
directamente a la empresa de manera que reduce gastos en equipos costosos
para el sistema actual, si se implementa la mejora, la vida til de las calderas
y sus sistemas auxiliares sera ms larga.
En lo tcnico, el procedimiento es de fcil manejo y el sistema operativo
es ergonmico, el mantenimiento es ms cmodo desde el punto de vista
ambiental menos contaminante de la caldera.
En lo acadmico, con la propuesta de la EVALUACION TECNICA-
ECONOMICA PARA LA CONVERSION A GAS DE LAS CALDERAS 3 Y 4
PLANTA CENTRO-CORPOELEC, el conocimiento terico-prctico para los
autores y los lectores de esta propuesta, ser enriquecido puesto que esta
elaboracin metodolgicamente est redactada para la buena comprensin
del lector sin importar la rama acadmica que este domine.
En el marco metodolgico aporta la creacin de mtodos y sistemas
para la conversin a gas natural de calderas de vapor en PLANTA CENTRO-
CORPOELEC para la produccin de energa, que servirn como base de otros
estudios e investigaciones, al proporcionar una herramienta que ayudara a una
evaluacin tcnica - econmica en calderas de la generacin de energa
elctrica.
Ahora bien, desde un punto de vista prctico, la presente investigacin
tiene como finalidad la conversin a gas natural de las calderas en PLANTA
CENTRO-CORPOELEC para la generacin de energa elctrica para
fortalecer nuestra creciente industria nacional de manera efectiva, siendo este
de gran aporte innegable de la incursin en el rea generacin y eficiencia
energtica, como profesional de ingeniera de gas.
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11
Delimitacin de la investigacin
Delimitacin espacial
La investigacin se desarroll en la Universidad Nacional Experimental
Rafael Mara Baralt, ubicada en los Puertos de Altagracia del municipio
Miranda del Estado Zulia en conjunto a PLANTA CENTRO-CORPOELEC,
ubicada en el centro del pas, en Punta Morn, distrito Juan Jos Mora estado
Carabobo.
Delimitacin temporal
La investigacin se llev a cabo en el periodo comprendido entre Marzo
de 2013 a septiembre del 2013.
Delimitacin conceptual
El estudio de la conversin a gas natural de las calderas en Planta
Centro-CORPOELEC para la generacin de energa elctrica. Enmarcada en
el rea de energa del Proyecto de Ingeniera y Tecnologa. (PIT). Para ello se
destacan aportes tericos hechos por: Ing. Percy Castillo Neira (2010), Manual
de operacin y Mantenimiento Alstom Power (2000), Secretaria de Energa de
los Estados Unidos Mexicanos (2009), entre otros.
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12
CAPTULO II
MARCO TERICO
Antecedentes de la investigacin
M. Golato, F. Colombres y otros. (2008) Revista Industrial y Agrcola de
Tucumn Metodologa de clculo de la eficiencia trmica de generadores de
vapor se desarroll un mtodo matemtico determinstico de procesamiento
de registros experimentales, aplicable a un sistema generador de vapor y
recalentador de aire en estado estacionario, que opere con uno o dos
combustibles simultneamente, para determinar la eficiencia trmica del
mismo y la eficiencia con la que se oxida el combustible, como as tambin el
rendimiento del intercambiador de calor.
La mecnica de procesamiento se basa en la resolucin de los balances
de materia y energa sobre los diferentes equipos que conforman el sistema.
Esta metodologa es aplicable aquellos generadores de vapor que empleen
como combustible, bagazo, gas natural o ambos (caldera mixta). Los
resultados del clculo de la eficiencia trmica de diferentes generadores de
vapor para cada tipo de combustible procesado, empleando para ello datos de
diversos ensayos experimentales. Como validacin de esta metodologa, se
contrastan estos valores de eficiencia con los obtenidos segn el cdigo
propuesto por la American Society of Mechanical Engineers (ASME).
De esta manera aportando a la investigacin un metodologa en la parte
tcnica, adoptando los procedimientos necesarios para la determinacin de
eficiencia de calderas a gas y/o otros combustibles, asimismo establecer la
eficiencia de la combustin, arrojando los valores de rendimiento trmico del
ciclo.
V. Arrollo (2007) Beneficios de las sustitucin de petrleo residual por
gas natural en caderas de vapor este trabajo se bas en las ventajas que traer
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13
la sustitucin de petrleo Nro. 6 por gas natural en el mbito econmico,
comparando costos de combustible, mantenimientos, beneficios en el rea de
seguridad y ecolgicas.
Se plante lo equipos y modificaciones necesarias para el cambio,
calculando el costo de la inversin en dos (2) casos, cambio a gas natural en
una caldera pirotubular de 900 BHP (Boiler Horse Power) y una caldera
acuatubular de 50 T/H (Toneladas Hour), planificado los pasos a seguir para
el cambio en ambos casos. Se calcul el ahorro de costo de combustible y de
mantenimiento, a su vez el tiempo de recobro de la inversin.
Como resultado se obtuvo que para la caldera pirotubular, se
necesitaba adaptar los quemadores a un kit de conversin y complementar
con un tren de vlvulas y controles, se construy un tendido de tuberas para
el gas natural y se dej instalado las lneas de combustible pesado como
respaldo, se calcul como ahorro total de 154.810 U$/ao entre costos de
combustible, energa dejada de consumir y limpieza de tubos, con un retorno
de la inversin en casi dos aos.
Este trabajo aporto al mtodo de realizacin de la propuesta mediante
el anlisis de resultados en el mbito econmico y a plasmarlos en la
investigacin de una manera fcil de apreciar.
ALSTOM POWER (2006) Conversin a Gas de la Caldera Nr. 1,
Contrato Nr. 2000-037-13250PC, Commessa API Nr. 11633 El proyecto de
conversin a la combustin dual (Fuel ol y Gas Natural) y otras mejoras de la
caldera N 1 de la Central Termoelctrica de Planta Centro ha sido
desarrollado por Alstom Power sobre la base del Contrato N 2000-0037-
13250.
A efecto de la transformacin de la caldera para su conversin a la
combustin dual, se ha efectuado la verificacin de las condiciones esperadas
de las temperaturas del vapor y del metal en las distintas secciones de pasaje
de los gases. Como resultado de esta verificacin, han sido reemplazadas
aquellas partes donde la temperatura del metal esperada en las nuevas
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14
condiciones de operacin es mayor de la temperatura de diseo original (los
tubos a ms alta temperatura del sobrecalentador SH2 y el colector de salida
del mismo). En todas las otras secciones, la temperatura esperada del metal,
sea calculado con gas natural como con aceite combustible pesado, o con
cualquier proporcin posible de los combustibles, no ser mayor a las mximas
admitidas, segn el cdigo ASME, para los materiales instalados.
De igual manera que los anteriores antecedentes, contribuyo como
base fundamental para esta investigacin, ya que este proyecto es la
experiencia de la empresa del objeto de estudio reflejada en esta
investigacin, desde el aspecto tcnico hasta la generacin de la propuesta.
Bases tericas
Conversin a gas de calderas
Las empresas industriales que tenga calderas quemando Petrleos
residuales o disel y que tengan acceso al gas natural, podrn optar por
cambiar de caldera a otra nueva que lleve incorporando un quemador para gas
o cambiar (algunos casos adaptar) el quemador existente para que pueda
quemar gas natural. La eleccin depender de la antigedad, estado de la
caldera, lmite de capacidad, entre otros. (Arroyo V.)
Calderas
Una caldera o generador de vapor es una mquina trmica que produce
vapor a una presin mayor que la atmosfrica. A la mquina le entra una
energa (airecombustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo
(frecuentemente agua) efectundose el proceso de evaporacin, cuyo
mecanismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera (Meja J.)
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15
Calderas Acuotubulares
En este tipo de unidad, los productos de la combustin rodean a los
bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan
presiones de operacin de 0-150 bares, 0-2200 PSIG.
Estas son las grandes calderas de alta presin utilizadas para la
generacin de energa en la industria. Los gases calientes de los quemadores
pasan alrededor de los bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las
calderas son de forma rectangular y los tubos estn conectados a un tambor
de agua en la parte inferior y a un colector de vapor en la parte superior.
Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la cmara principal de
combustin. Los productos son por lo general por encima de 20.000 kg/h.
Debido a factores econmicos, las calderas trabajan con carbn pulverizado o
petrleo. Algunas han sido convertidas a gas, tambin pueden trabajar con
dos quemadores de combustible (Rosaler M.).
Figura 1. Calderas Acuotubulares. Fuente: Mejas R. (2006)
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16
Economizador
Esta por tubos colocados en forma de serpentines, los cuales van a
absorber el calor producido en la cmara de combustin para transmitirlo al
agua de alimentacin que circula dentro de los tubos de este elemento, es de
tipo de tubos horizontal continuos y ubicados debajo de la seccin horizontal
del precalentador. El economizador est dispuesto como de contracorriente
del gas y agua; siendo el caudal de agua dentro de ste de tipo ascendente
hacia el domo pasando por los tubos longitudinales, tiene un rea de
calentamiento de 8.790 m2, este es el primer componente que se encuentra
en el generador de vapor en sentido del agua y el ultimo en el sentido del flujo
de los gases generados por la combustin (CORPOELEC).
Domo
Es un recipiente cilndrico que comunica con el evaporador con los
sobrecalentadores. Consiste en separar el vapor y el lquido por medio de
separadores centrfugos de vapor Babcock y Wilcox con el propsito de
purifica el vapor de agua lquida, espuma y materias solidas en suspensin
que se ascienden a travs del evaporador, las tuberas de agua de
alimentacin de la descarga del economizador estn conectadas con boquillas
en ambos extremos del domo y el agua es alimentada uniformemente dentro
del domo por tuberas internas de alimentacin instaladas en el mismo, existen
tres conductos descendentes a ambos lados y en el centro del tambor para
que el agua del tambor pueda circular con uniformidad. El dimetro de los
conductos descendentes est proyectado para que produzca una prdida de
presin menor y para aumentar la carga hidrulica efectiva, este tiene:
dimetro interno de 1,829 m con un largo de 19,8 m y espesor de 187 mm
hecho con material SA-299 (CORPOELEC).
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17
Sobrecalentadores
Son intercambiadores de calor compuestos por haces de tubos
colocados sucesivamente en los diferentes pasos de gases de la caldera y
absorben calor de estos a travs de los diversos procesos de transferencia de
calor, se compone de una seccin primaria, secundaria y terciaria con dos
atemperadores para controlar la temperatura del vapor, instalados entre la
descarga del sobrecalentador primario y la admisin del secundario y otro en
la descarga del sobrecalentador secundario y la admisin del terciario, el
sobrecalentador primario tiene una rea de transferencia de 1.739 m2, el
secundario 2.260m2 y el terciario 3.450m2 (CORPOELEC).
Evaporador
Est conformado fundamentalmente por las cuatro paredes de tubos
envolventes de horno. Es en el evaporador donde se produce la mayor
transferencia de calor en la caldera, ya que est expuesto directamente a la
radiacin producida en el proceso de combustin, la cual es absorbida por los
tubos y transferida al agua para evapore completamente y pase al domo en
condicin de vapor saturado (CORPOELEC).
Recalentador
Es de tipo de tubos continuo horizontal. La seccin de baja temperatura
est situada en una etapa interior del paso de la caldera, encima del
economizador, y la seccin de alta temperatura es situada encima de
sobrecalentador terciario y dispuesto en contracorriente, al elevar la
temperatura del vapor que ya realizo el trabajo en la turbina de alta presin,
llevndolo de nuevo a los valores de sobrecalentamiento requerido para luego
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18
aprovechar esa energa en la turbinas de media y baja presin, tiene un rea
de calentamiento de 12.840 m2 (CORPOELEC).
Estacin de gas Natural
Las plantas industriales pueden recibir el Gas Natural de las Redes de
Distribucin o directamente de los Gasoductos de Transporte, segn las
circunstancias de ubicacin geogrfica, rangos de consumo, normas y
procedimientos existentes y condiciones de comercializacin, en estas
estaciones de gas es donde se filtran partculas y gotas, se miden y registran
flujos, se controla calidad y se regulan los niveles de presin a los establecidos
requeridos en circuitos de distribucin las Redes de Distribucin domiciliarias
e industriales.
Los sistemas de distribucin difieren segn las presiones con que
operan y el material de las tuberas. Respecto de las presiones de distribucin,
las redes pueden ser:
Redes de Alta Presin: se considera Alta Presin, a todo suministro que
supere los 1.96 bares (2 Kg/cm2), y est destinado a abastecer consumos
industriales y a alimentar redes de media y baja presin.
Redes de Media Presin: se considera Media Presin, cuando el
suministro est comprendido entre 0.454 bares (0.5 Kg/cm2) y 1.96 bares (2
Kg/cm2) y se dimensionan de forma tal que en ningn punto de la red se tenga
un valor menor que el lmite inferior, porque esta es la mnima presin con que
trabajan los reductores en las instalaciones domsticas.
Redes de Baja Presin: las redes de Baja Presin, son las que
alimentan directamente a los artefactos de consumo a una presin de 19 mbar
(0.020 Kg/cm2).
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19
El primer paso en el circuito interno de gas natural en plantas
industriales lo constituye la Estacin de Regulacin y Medicin Primaria
(E.R.M.P) donde se efectan 3 operaciones principales para
acondicionamiento del gas suministrado a las mejores condiciones requeridas
en cada planta industrial:
Limpieza de las impurezas contenidas en el gas recepcionado y que se
presentan como partculas y gotas.
Regulacin de la presin a los niveles requeridos en los sistemas de
combustin.
Medicin fiscal del flujo de gas natural para efectos de facturacin y
evaluacin de costos operativos (Castillo P.).
Sistemas de medicin de flujos
La medicin del flujo de gas natural en la ERMP sirve para efectos de
medicin fiscal y transferencia de custodia, por lo cual los contadores que
sern admitidos debern estar homologados y verificados por las autoridades
correspondientes, y sern autorizados de acuerdo con las normas que
establezca la Empresa suministradora de gas, pero tambin resulta de la
mayor importancia para desarrollar una efectiva gestin energtica en plantas
industriales.
Distancia mnima 20D Distancia mnima 10D
1 Vlvula de accionamiento 16 Vlvula de cierre
2 Junta dielctrica 17 Vlvula de cierre
3 Manmetro 18 Manmetro de tres vas de
comprobacin
4 Vlvula de cierre 19 Registrador grafico de presin y
temperatura
5 Filtros 20 Termmetros
6 Vlvula de cierre 21 Contador
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20
7 Manmetros diferencia 22 Vlvula By Pass del contador
(PRECINTADA)
8 Vlvula de seguridad mxima
y mnima
23 Vlvula de cierre final
9 Piloto o monitor de mando del
regulador
24 Puesta a tierra
10 Regulador de presin 25 Diafragma para la medicin de
volumen inst. (CONTADOR)
11 Vlvula de purga de presin 26 escape a la atmosfera
12 Vlvula de seguridad de
resorte
27 Intercambiador de presin
13 Vlvula de laminacin
14 Manmetro
15 Vlvula de seguridad de
sobre presin al cierre
Figura 2. Sistemas de medicin de flujos. Fuente: Perry Castillo. (2011)
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21
Para definir las caractersticas del sistema de medicin debe tomarse
en cuenta que el transporte y distribucin de gas se contabiliza en volumen,
pero en el uso industrial lo que cuenta son las unidades energticas; por esta
razn, se conforman sistemas de medicin de energa total, como el que se
muestra en la figura.
Figura 3. Sistemas de medicin de energa total. Fuente: Perry Castillo. (2011)
El medidor utilizado registra una lectura que es procesada en una
Unidad Correctora que recibe seales de temperatura, presin y anlisis
cromatogrfico del gas natural para entregar un valor en unidades energticas
por unidad de tiempo (Castillo P.).
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22
Vlvulas de cierre
Las vlvulas son siempre elementos imprescindibles de toda
instalacin, ya que afectan a la manutencin, entretenimiento y reparacin de
eventuales averas (Castillo P.).
Vlvulas de seguridad
Son vlvulas interceptadoras automticas, de rearme manual, de
mxima y mnima presin a la salida del regulador, situadas antes de ste, y
que garantizan el cierre en caso de sobrepresin o presin insuficiente
(Castillo P.).
Figura 4. Vlvula de seguridad. Fuente: Perry Castillo. (2011)
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Vlvulas reguladoras
Son aparatos que reducen la presin de gas Pe a la entrada del aparato,
a una presin Ps, inferior a la salida del mismo. Ello es debido a la prdida de
carga creada por la corriente gaseosa, al hacerla pasar por un orificio de
seccin S inferior a la del paso de gas a la entrada y salida del aparato. El
aparato ms sencillo est constituido por un orificio, ms o menos descubierto
por un obturador (vlvula o grifo), maniobrado a mano, para obtener la presin
deseada (Castillo P.).
Figura 5. Vlvula reguladora. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Filtros.
Para proteger de la erosin, por las partculas en suspensin en el gas,
a las vlvulas, reguladoras y elementos de medicin es conveniente la
instalacin de algn tipo de separador o filtro (Castillo P.).
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24
Figura 6. Filtros. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Red interior de tuberas.
El Gas Natural limpio y seco, a la presin suficiente y adecuada para
atender convenientemente todos los requerimientos de consumo en planta, se
distribuye por el sistema de distribucin interno a las Estaciones Secundarias
y trenes de vlvulas de los puntos de consumo directo, donde se acondicionan
para las condiciones exigidas por los sistemas de combustin en cada punto
de consumo. Esta podr ser ms o menos extensa segn existan muchos o
pocos puntos de consumo, y las distancias de los mismos a la estacin
receptora sean ms o menos grandes.
Si las distancias y los caudales no son importantes y los puntos de
consumo pocos y prximos, se podr establecer una red con tubos de
dimetro apropiado para tener una prdida de carga pequea. En este caso,
la presin de distribucin puede ser la necesaria para los quemadores, y el
gas puede tomarse de la estacin receptora a dicha presin incrementada con
las prdidas de carga. Si las distancias y caudales son importantes y los puntos
de consumo estn espaciados, convendr, en aras a la economa del coste de
la red de distribucin, tomar el gas de la estacin receptora a presin de 2 a 5
kg/cm2, y admitir una fuerte prdida de carga en el clculo de las tuberas. En
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25
este caso, la presin ser muy variable en los distintos puntos de la red, en
funcin de la distancia a la estacin receptora y de las variaciones de consumo
de los aparatos de utilizacin.
Como stos necesitan para su buen funcionamiento una presin lo ms
constante posible, obligarn a colocar lo ms prximo a ellos o al conjunto de
aparatos dentro de la misma nave, un grupo de regulacin de presin que,
alimentado por la variable y alta presin de la red, alimente los quemadores a
presin constante y apropiada (Castillo P.).
Quemador
Aporta el aire de combustin (comburente) y el combustible, los mezcla
y produce la combustin. Sus caractersticas dependen del combustible,
debiendo disponer de los mecanismos de regulacin que permitan formar una
llama adecuada al hogar o cmara de combustin.
El quemador de ALSTOM Power, de Ncleo de Llama Estratificada de modo
Radial, (RSFC), est diseado para quemar aceite atomizado y/o gas natural
en calderas industriales y de energa con quemadores en pared mientras
mantiene el rendimiento de la unidad y cumple los requisitos medio
ambientales de niveles de opacidad, emisiones de xidos de nitrgeno (NOx),
y monxido de carbono (CO).
El quemador RSFC aplica tres principios asociados a la combustin de
combustibles fsiles con bajo NOx.
Encendido temprano del combustible con condiciones de combustible
enriquecido
Graduar el proceso de combustin
Aumento del tiempo de residencia del combustible
Para aplicar los principios anteriores, el quemador RSFC inyecta el
combustible en una corriente concentrada a travs de una tobera de
combustible rodeada de tres zonas concntricas de aire. Cerca del quemador
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26
se consigue el encendido creando un rea de recirculacin cerca de la salida
de la tobera de combustible en donde hay una zona rica en combustible.
Para graduar el proceso de combustin, el quemador RSFC arremolina
el aire de combustin ms fro y de mayor densidad alrededor del ms caliente
y de menor densidad del ncleo de combustible. Las fuerzas centrfugas
creadas por el aire de combustin que se arremolina retardan el proceso de
mezcla con el combustible. El tiempo de residencia del combustible dentro de
la zona de llama aumenta al regular las velocidades que salen por la tobera de
combustible y las tres zonas de aire de combustin. Las diferencias de
velocidades crean modelos internos de recirculacin dentro de la llama
(ALSTOM POWER)
Figura 7. Esquema del quemador RSFC. Fuente: ALSTOM POWER. (2001)
Ventilador de tiro forzado (V.T.F).
Es un ventilador centrfugo que toma el aire de la atmsfera a 30 C y
lo succiona para descargarlo en un ducto cuadrado de metal a cierta presin
baja en mmca (milmetro de columna de agua) para que llegue al hogar
(CORPOELEC).
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27
Ventilador recirculador de gases (V.R.G).
Es un ventilador centrfugo que absorbe parte de los gases de
combustin y lo inyecta por debajo del generador de vapor para subir la
temperatura en el hogar y disminuir el consumo de combustible
(CORPOELEC).
Calentador de aire con condensado (C.A.C).
Son varios paneles compuesto cada uno por un colector (entrada de
condensado) superior, unido a otro similar colector inferior (de descarga)
mediante tubos con aletas, para una mejor transferencia de calor entre el
condensado en su interior (proveniente de los CAV) y el aire que pasa entre
los tubos con aletas (CORPOELEC).
Figura 8. Esquema de CAC. Fuente: CORPOELEC. (2001)
Calentador de aire con vapor (C.A.V):
Son varios paneles compuesto cada uno por un colector (entrada de
vapor) superior, unido a otro similar colector inferior (de descarga) mediante
tubos con aletas, para una mejor transferencia de calor entre el vapor en
su interior (colector de vapor auxiliar) y el aire que pasa entre los tubos con
aletas (CORPOELEC).
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28
Calentador de aire regenerativo (C.A.R) o LUVO
Es un intercambiador de calor gas-gas, circular, de 5 mts de dimetro
por uno de alto, que rota a una velocidad de 1 a 3 rpm, debido a
un motor acoplado a una caja reductora de engranajes. Estos "luvos" estn
compuestos por lminas corrugadas (u onduladas) paralelas y concntricas a
su eje de rotacin. A la entrada y salida del precalentador, se conforma un
ducto con una pared divisoria longitudinalmente que origina dos secciones
(canales) en el precalentador: un canal para el aire y otro (en sentido contrario)
para los gases. A medida que el "Luvo" gira, los gases de combustin, que
vienen de atravesar y calentar los serpentines del economizador, entran al
precalentador y pasan paralelamente entre las planchas corrugadas y las
calientan. Debido al constante giro, estas planchas ya calientes, se colocan en
el paso o trayectoria del aire, saliendo este ltimo con una temperatura de
312C, rumbo al hogar de la caldera para la combustin. Luego estas lminas
enfriadas por el aire se colocan nuevamente, debido a la constante rotacin,
en la trayectoria de los gases para ser calentadas nuevamente, y as
sucesivamente (CORPOELEC).
Figura 9. Esquema de CAR o LUVO. Fuente: CORPOELEC. (2001)
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Ciclos de potencia
Los dispositivos y sistemas usados para producir una salida neta de
trabajo son llamados motores y los ciclos termodinmicos en que operan se
denominan ciclos de potencia (Renedo C.).
Ciclo de Potencia de Vapor
Estos ciclos termodinmicos la energa qumica del combustible es
transferida al vapor para luego convertirla en trabajo, en este ciclo el fluido se
mantiene en fase gaseosa la mayor parte del proceso (Cengel Y.).
Ciclo Rankine
Es el ciclo ideal para las centrales elctricas de vapor, este ciclo ideal
no incluye ninguna irreversibilidad interna y est compuesto de los siguientes
cuatro procesos: Etapa 1, compresin isotrpica en una bomba. Etapa 2,
adicin de calor a presin constante en una caldera. Etapa 3, expansin
isotrpica en una turbina. Etapa 4, rechazo de calor a presin constante en un
condensador.
El agua entra a la bomba en el estado 1 como lquido saturado y se
condensa isotrpicamente hasta la presin de operacin de la caldera. La
temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresin
isotrpica debido a una ligera disminucin en el volumen especfico del agua.
El agua entra a la caldera.
Como lquido comprimido en el estado 2 y Sale como vapor
sobrecalentado en el estado 3. La caldera es bsicamente un gran
intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de
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30
combustin, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua
esencialmente a presin constante. El vapor sobrecalentado en el estado 3
entra a la turbina.
Donde se expande isotrpicamente y produce trabajo al hacer girar el
eje conectado a un generador elctrico. La presin y la temperatura del vapor
disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el
vapor entra al condensador. El vapor se condensa a presin constante en el
condensador, el cual es bsicamente un gran intercambiador de calor,
rechazando el calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un ro o la
atmsfera (Cengel Y.).
Figura 10. Esquema de ciclo Rankine. Fuente: Cegel. (2005)
Ciclo Rankine Regenerativo y recalentamiento intermedio
Considere una central elctrica de vapor que opera, con dos
calentadores de agua de alimentacin, uno abierto y otro cerrado, adems de
un recalentador. El vapor entra a la turbina y se condensa a una presin. Una
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31
parte de vapor se extrae de la turbina a para el calentador cerrado, mientras
que el resto se recalienta a la misma presin, El vapor extrado se condensa
por completo en el calentador y se bombea antes de mezclarse con el agua
de alimentacin a la misma presin. El vapor para el calentador abierto se
extrae de la turbina de baja presin a una presin (Cengel Y.).
Figura 11. Esquema de ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento intermedio.
Fuente: Cengel. (2005)
Maquinas trmicas.
Es un dispositivo mecnico que realiza un trabajo intercambiando calor con
unos manantiales (Martin F.)
Figura 12. Principio de mquinas terminas. Fuente: Holman. (2000)
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32
Calor
Durante muchos aos se crey que el calor era un componente que
impregnaba la materia y que los cuerpos lo absorban o desprendan segn
los casos. La llama que se observa en esta vista es una manifestacin del
calor, pero no es el calor. El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si
puedes percibir los efectos del a travs de sus diferentes manifestaciones.
El calor es por lo tanto una forma de energa. Es la "energa calorfica". Un
ingls llamado J.P. Joule hall su equivalencia con las unidades del trabajo
(Castillo P.).
Transferencia de calor
Es la energa en trnsito debido a una diferencia de temperaturas en un
cuerpo o entre cuerpos diferentes. Siempre que exista una diferencia de
temperatura, la energa se transfiere, de la regin de mayor temperatura a la
de menor temperatura, De acuerdo con los conceptos de la Termodinmica,
la energa que se transfiere como resultado de una diferencia de temperatura,
es el calor (Panana A.).
Transferencia de calor por conveccin
Cuando un fluido a TF se pone en contacto con un slido cuya superficie
de contacto est a una temperatura distinta TS, al proceso de intercambio de
energa trmica se denomina CONVECCIN (Panana A.).
Este tipo de mecanismo de transferencia de calor se clasifica en:
Conveccin libre o natural: ocurre cuando la fuerza motriz procede de
la variacin de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una
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33
superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascensionales, el
fluido prximo a la superficie adquiere una velocidad debida nicamente a esta
diferencia de densidades, sin ninguna fuerza motriz exterior (Panana A.).
Ejemplo: La conveccin en un tanque que contiene un lquido en reposo en el
que se encuentra sumergida una bobina de calefaccin.
Conveccin forzada: tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior
mueve un fluido con una velocidad (v), sobre una superficie que se encuentra
a una temperatura Ts mayor o menor que la del fluido Tf, como la velocidad
del fluido en la conveccin forzada es mayor que en la conveccin natural, se
transfiere por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada
temperatura (Panana A.). Ejemplo: El radiador de un coche tiene un ventilador
que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que contiene.
Transferencia de calor por radiacin
Mientras que la conduccin y la conveccin trmica tienen lugar slo a
travs de un medio natural, la Radiacin trmica puede transportar el calor a
travs de un fluido o del vaco, en forma de ondas electromagnticas o fotones
como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas de los
tomos o molculas, estos se propagan a la velocidad de la luz.
La cantidad de energa que abandona una superficie en forma de calor
radiante depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y tambin
la naturaleza de la superficie (Panana A.).
Ejemplo: El calentamiento del sol a la tierra es un ejemplo claro de
transferencia de calor por radiacin.
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Temperatura.
Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio
o fro que puede ser medida con un termmetro. En fsica, se define como
una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema
termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica. Ms
especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa
interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los
movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslaciones,
rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energa
cintica de un sistema, se observa que ste se encuentra ms caliente; es
decir, que su temperatura es mayor (Cengel).
Eficiencia
Es uno de los trminos ms usados en termodinmica, e indica qu tan
bien se realiza un proceso de conversin o transferencia de energa. Asi-
mismo, este trmino resulta uno de los que en general son mal usados en
termodinmica, adems de ser una fuente de malas interpretaciones. Esto se
debe a que se usa sin una definicin adecuada. Lo cual se aclara a continua-
cin y se definen algunas de las eficiencias ms usadas en la prctica.
El desempeo o eficiencia se expresa en trminos de la salida deseada y la
entrada requerida, de la siguiente manera:
= salida deseada
entrada requerida
Si acude a una tienda a comprar un calentador de agua, un vendedor
experto le dir que la eficiencia de uno elctrico es de alrededor de 90 por
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35
ciento. Es posible que esto sea confuso dado que los dispositivos de ca-
lentamiento de los calentadores elctricos son resistencias, y la eficiencia de
stas es de 100 por ciento porque convierten en energa trmica toda la
energa elctrica que consumen. El vendedor aclarara todo si explicara que
las prdidas de calor del depsito de agua caliente al are circundante
equivalen a 10 por ciento de la energa elctrica consumida. La eficiencia de
un calentador de agua se define como la relacin entre la energa que el agua
caliente entrega a la casa y la energa suministrada al calentador de agua.
La eficiencia para un calentador de agua a base de gas, es mucho
menor que la de un calentador elctrico. Por regla general, la eficiencia de
equipo que quema combustible se basa en el poder calorfico del combustible,
el cual es la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una
cantidad unitaria de combustible y un producto de la combustin se enfran a
la temperatura ambiente.
Entonces el rendimiento del equipo de combustin se puede caracterizar por
la eficiencia de combustin, la cual se define como
combustion =
=
Una eficiencia de combustin de 100 por ciento indica que el
combustible se quema completamente y los gases residuales salen de la
cmara de combustin a temperatura ambiente; en consecuencia, la cantidad
de calor liberar da durante un proceso de combustin es igual al poder
calorfico del combustible.
La mayor parte de los combustibles contienen hidrgeno, que forma
agua durante la combustin. El poder calorfico de un combustible ser
diferente dependiendo de si el agua en los productos de la combustin se halla
en forma lquida o de vapor. El poder calorfico se denomina poder calorfico
inferior o LHV (lower heating value) cuando el agua sale como vapor, y poder
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calorfico superior o HHV (higher heating value) cuando el agua en los gases
de combustin se condensa por completo, de manera que tambin se recupera
el calor de vaporizacin. La diferencia entre estos dos poderes calorficos es
igual al producto de la cantidad de agua y la entalpia de vaporizacin del agua
a temperatura ambiente. Por ejemplo, los poderes calorficos inferior y superior
de la gasolina son 44 000 kJ/kg y 47 300 kJ/kg, respectivamente.
Una definicin de eficiencia debera dejar claro si se basa en el poder
calorfico inferior o superior del combustible. Las eficiencias de los motores de
automviles y aviones a reaccin normalmente se basan en poderes
calorficos inferiores pues regularmente el agua sale en forma de vapor en los
gases de escape y resulta imprctico intentar recuperar el calor de
vaporizacin. Por otro lado, las eficiencias de los hornos se basan en poderes
calorficos superiores.
La eficiencia de los sistemas de calefaccin de edificios residenciales y
comerciales se expresa comnmente en trminos de la eficiencia anual de
utilizacin de combustible, o EAUC, la cual representa la eficiencia de
combustin y otras prdidas como las de calor hacia reas no calentadas, de
encendido y de enfriamiento. La EAUC de la mayor parte de los nuevos sis-
temas de calefaccin es aproximadamente de 85 por ciento, mientras que la
de algunos viejos sistemas es inferior a 60 por ciento. La EAUC de algunos
hornos nuevos de alta eficiencia es mayor a 96 por ciento, pero el alto costo
de stos no se justifica para localidades con inviernos ligeros a moderados.
Estas eficiencias se logran al recuperar la mayor parte del calor contenido en
los gases residuales, condensar el vapor de agua y descargar dichos gases
con temperaturas bajas de 38C (o 100F) en lugar de casi 200C (o 400F)
de los modelos estndar.
Para los motores de automviles la salida de trabajo se entiende como
la potencia entregada por el cigeal, pero para las centrales elctricas el
trabajo producido puede ser la potencia mecnica en la salida de la turbina, o
la salida de potencia elctrica del generador.
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Un generador es un dispositivo que convierte energa mecnica en
energa elctrica, y su efectividad se caracteriza por la eficiencia del
generador, que es la relacin entre la salida de potencia elctrica y la entrada
de potencia mecnica. La eficiencia trmica de una central elctrica, la cual es
de primordial inters en termodinmica, se define como la relacin entre la
salida neta de trabajo en la flecha de la turbina y la entrada de calor al fluido
de trabajo. Los efectos de otros factores se incorporan mediante la definicin
de una eficiencia global para la central elctrica, a partir de la relacin entre la
salida neta de potencia elctrica y la tasa de entrada de energa del
combustible. Es decir,
global = combustion . termica . generador = Wneto electrico
HHV . m
Las eficiencias globales estn entre 25 y 30 por ciento para motores de
automviles de gasolina, entre 34 y 40 por ciento para los de disel y entre 40
y 60 por ciento para las grandes centrales elctricas (Cengel Y.).
Poder calorfico
Tambin llamada potencia calrica de los combustibles queda definida
como la cantidad de calor liberada por la combustin de una unidad de
volumen o peso de un combustible y se expresa comnmente en Kg. /Kcal,
BTU/Lb, BTU/Galn.
Es necesario el conocimiento de este valor cuando se considera la
eficiencia trmica del equipo, tanto para producir fuerza como para producir
calor; en clculos de determinacin de eficiencia, el valor considerado es el
poder calorfico neto o poder calorfico inferior, por lo que a continuacin
hacemos una diferencia entre este y el poder calorfico bruto o superior.
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Teora inorgnica de la combustin
La energa de disociacin del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar
la misma coincidencia en cualquier otro hidrocarburo, descubrimos el hecho
extraordinario de que todos los combustibles, mezclas carbono/hidrgeno con
contenidos variables de impurezas, se disocian en sus componentes antes de
quemarse, lo que significa que la combustin siempre se producir en forma
elemental y bsica, a travs de las reacciones : C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 =
2H2O Todos los combustibles industriales, sin excepcin, siempre se
quemarn en la misma forma, no interesando para fines prcticos las mltiples
posibilidades de reacciones intermedias, lo cual simplifica totalmente la
concepcin, anlisis, evaluacin y control de la combustin.
La Qumica Orgnica se ocupa del estudio de los componentes que
forma el carbono, aprovechando la extraordinaria capacidad de combinacin
que le permite su tetravalencia; al demostrar que los combustibles se disocian
en sus componentes antes de quemarse, la combustin se producir por
oxidacin del Hidrgeno y el Carbono, en el campo inorgnico, resultando el
nombre ms adecuado para esta formidable simplificacin tecnolgica: Teora
Inorgnica de la Combustin pudiendo ser enunciada en la siguiente forma:
Todos los combustibles industriales son combinaciones carbono/hidrgeno y
se disocian en sus componentes antes de quemarse, producindose la
combustin siempre en forma bsica y elemental: C + O2 = CO2 y 2H2 + O2
= 2H2O
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Figura 13. Mecanismo de combustin del metano. Fuente: Perry Castillo. (2011)
Los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono
e hidrgeno, con un contenido, tambin variable, de impurezas. El carbono e
hidrgeno contenidos en cualquier combustible slido, lquido o gaseoso, sea
cual fuere la forma qumica en que se encuentren combinados, se disociarn
a su forma elemental antes de reaccionar con el oxgeno disponible.
En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del hidrgeno
con el oxgeno, son siempre elementales y nicas: C + O2 = CO2 y H2 + O2
H2O Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el combustible,
se disociar en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta concepcin
simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las reacciones de
combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los clculos
estequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control. Sea un
combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2 kg
de hidrgeno. En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del
hidrgeno con el oxgeno, son siempre elementales y nicas: C + O2 CO2 H2
+ O2 H20 Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el
combustible, se disociar en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta
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concepcin simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las reacciones
de combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los clculos
estequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control. Sea un
combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2 kg
de hidrgeno (Castillo P.).
Figura 14. Reaccin y poder calorfico de varios hidrocarburos. Fuente: Perry Castillo.
(2011)
Llama
Es el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de
combustin, produciendo radiaciones luminosas de origen tanto trmico como
qumico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyen
manifestaciones de las condiciones en que se efecta la generacin de calor.
En trminos prcticos, podramos definir a la llama como "el espacio
donde se realiza la combustin", o tambin, como "la manifestacin visible de
la combustin", cuando se trata de combustibles slidos y lquidos. La mezcla
combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es su creador,
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vigilante y mantenedor. La creacin y mantenimiento de una llama apropiada
(Castillo P.).
Temperaturas de la llama
Se denomina temperatura terica de combustin, temperatura
adiabtica de combustin o temperatura de combustin calorfica, a la que se
obtendra en una combustin estequiometria, con mezcla perfectamente
homognea y en un tiempo brevsimo que no d tiempo a prdidas calorficas
con el ambiente (Castillo P.).
Para el clculo terico de la temperatura adiabtica de llamas se utiliza
la siguiente frmula:
=
.
Ta: Temperatura adiabtica de llama;
PCI: Poder Calorfico Inferior;
Vg: Volumen de gases de combustin;
Cp: Calor Especfico de los gases de combustin
Figura 15. Temperatura de llama de varios componentes. Fuente: Perry Castillo (2011).
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Gasodinmica de la combustin
El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que acta
dinmicamente sobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad y
succionando aire o gas de los alrededores. El chorro se proyecta en la
direccin prevista, perdiendo velocidad y succionando gas de los alrededores
Figura 16. Representacin de gasodinamica del quemador. Fuente: Perry Castillo
(2011).
En calderos acuotubulares la adecuacin de la forma de llama a las
geometras rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitido
conseguir una reduccin formidable de sus dimensiones, consiguiendo
unidades cada vez ms grandes en capacidad de generacin de vapor pero
mucho ms compactas, ahorrando espacio, materiales y energa, porque
tambin resultan considerablemente ms eficientes (Castillo P.).
Emisividad de la llama
Cuando esta energa alcanza otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse,
otra parte puede ser transmitida a travs del cuerpo receptor, cuando es
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diatrmico y finalmente el resto es absorbido. La radiacin trmica se asocia a
una radiacin electromagntica con un intervalo de longitudes de onda entre
0,01 y 100 micras.
Para calcular el calor transmitido por radiacin se aplica la frmula:
= . (14 24)
Qr: calor emitido por radiacin por m2 y hora (Kcal/h.m2);
C: constante de valor = 4,92 x 10-8 h.m20K4;
: emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante;
T1: Temperatura del cuerpo emisor 0K (0C + 273);
T2: Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273).
Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez
depende de la permanencia de las partculas en estado incandescente. La
emisividad de llamas de carbn, petrleo y gas natural se puede observar en
la figura, La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar
compensarse, demorando la disponibilidad de las partculas para que se
produzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia de calor
por radiacin (Castillo P.).
Figura 17. Emisividad de la llama segn su combustible. Fuente: P. Castillo (2011).
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Aire de combustin
Los combustibles son almacenes de energa qumica formados por la
naturaleza durante millones de aos, que se transforma en energa trmica, al
reaccionar sus componentes bsicos, Hidrgeno y Carbono, con el oxgeno.
La fuente de oxgeno para la combustin ms abundante, barata y fcil de
manejar es, indudablemente, el aire.
Esta condicin de fuente inagotable de oxgeno y la permanente
disponibilidad del aire en cualquier condicin de tiempo y espacio, conduce
con frecuencia al error de minimizar su importancia en el proceso de
combustin.
Se llama comburente al aire o al oxgeno que participa en la oxidacin
de la materia combustible liberando luz y calor en el proceso llamado
combustin. Debe asegurarse de que tanto el combustible empleado como el
aire de combustin sean aportados al quemador en las condiciones previstas
en su diseo. Para efectos prcticos resultar suficientemente correcto
considerar la siguiente composicin, a nivel del mar, en condiciones normales
de presin (760 mm de Hg) y temperatura (0C) (Castillo P.).
Nitrgeno: 79% en volumen (77% en peso)
Oxgeno: 21% en volumen (23% en peso)
Exceso de aire
Finalmente, para conseguir la combustin completa ms prxima a la
terica y segn el estado fsico del combustible (granos, polvo, lquidos, gases
y dispersiones) es preciso emplear una proporcin de oxgeno superior a la
terica por razones fsicas de contacto que despus detallaremos. De aqu el
llamado exceso de aire sobre el terico necesario. Este exceso de aire
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conlleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al propsito de la
combustin:
1 Disminucin de la temperatura mxima posible, al aumentar la cantidad de
gases en la combustin.
2 Variacin sensible en cuanto a la concentracin de los xidos formados, en
el nitrgeno del aire empleado (Castillo P.).
Poder calorfico del aire.
A nivel del mar, el poder calorfico del aire siempre ser de 890
Kcal/m3N; al realizarse la combustin a ms altura, este valor disminuir
progresivamente, por disminuir gradualmente el contenido de oxgeno por
metro cbico (Castillo P.).
Gas natural.
Constituye una mezcla de hidrocarburos y pequeas cantidades de
compuestos no-hidrocarburos en fase gaseosa o en solucin con el petrleo
crudo a nivel de reservorio. Es un gas incoloro con poder calorfico de
aproximadamente 8500 cal/m3, constituyendo una energa eficaz, rentable y
limpia. El gas directo que se distribuye a nuestros hogares, comercios e
industrias a travs de los sistemas de tuberas, se denomina gas metano por
contener el mayor porcentaje de contenido de CH4. Est constituido tambin
principalmente por propano y butano.
Gas
Natural
Componente Nomenclatura Estado
Natural
Metano CH4 Gas GNC/GNV
Etano C2H6 Gas
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Tabla 1. Contenido del gas natural. Fuente: Perry Castillo (2011).
Para el Gas Natural con 95% de metano utilizado como ejemplo, el
nomograma elaborado que se muestra en la figura
Siendo la relacin Carbono/Hidrgeno la mnima posible para el
metano, componente principal del gas natural, el volumen requerido de aire
(oxgeno) para completar su combustin ser siempre mayor que el de
cualquier otro combustible. Podemos comparar los volmenes de gases de
combustin requeridos para generar 1.000 Kcal, utilizando gas natural,
petrleo residual y carbn mineral con un 10% de exceso de aire de
combustin, 1.000 Kcal obtenidas con gas natural producen 1.46 m3N de
gases de combustin (Castillo P.).
Propano C3H8 Gas Licuable LGN GLP
Butano C4H10 Gas Licuable
Pentano C5H12 Lquido
Hexano C6H14 Lquido
Nitrgeno N2 Gas
Gas Carbnico CO-CO2 Gas
Sulfuro de
Hidrgeno
H2S Gas
Hidrgeno H2S Gas
Agua H2O Gas
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Figura 18. Poder calorfico del gas natural. Fuente: Perry Castillo (2011).
Anlisis ORSAT
Mediante el aparato de Orsat se puede efectuar el anlisis de
determinados productos de la combustin, a partir del cual es posible calcular
la relacin aire - combustible, y el grado de efectividad de la combustin, este
proceso consiste en obtener una muestra de los productos de la combustin y
determinar el porcentaje en volumen de cada gas componente.
El Aparato de Orsat es un analizador de gases usado para determinar
la composicin de una muestra de gases. Durante un anlisis una muestra es
pasada a travs de lquidos absorbentes que remueven componentes
especficos.
El volumen del gas es medido antes y despus de la absorcin. La
disminucin en el volumen del gas representa la cantidad del componente que
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estuvo presente. Los volmenes del gas son medidos a temperatura y a
presin constante.
Dicho aparato consiste en una bureta graduada de cincuenta mililitros o
cien ml, con escala de cero a cien, conectada por su parte inferior por medio
de un tubo de goma a un frasco nivelador, y en su parte superior a tres (3)
recipientes dobles que contienen sustancias apropiadas para absorber los tres
gases objeto de la medicin. Cada uno de los tres recipientes consisten en dos
tubos anchos unidos por un tubo pequeo en forma de U, todos con una
vlvula que permite el paso y la salida del gas que es objeto de anlisis; la
bureta est rodeada por un cilindro lleno de agua con el objeto de mantener la
temperatura del gas.
En el primer recipiente se coloca una solucin de hidrxido de sodio (33
gramos en 100 centmetros cbicos de agua) esta absorbe el dixido de
carbono, en el segundo recipiente se coloca una mezcla de dos soluciones,
(10 gramos de cido piroglico en 25 centmetros cbicos de agua y potasa
custica en la misma proporcin que en el envase nmero 1), esta mezcla
absorbe el O2 (oxigeno); en el tercer recipiente se coloca cloruro cuproso (250
gramos de cloruro amnico en 750 centmetros cbicos de agua y se agregan
250 gramos de cloruro cuproso); conviene colocar en el frasco que contiene
los reactivos algunos tejidos de cobre para que haya mayor absorcin.
Los motores de combustin interna poseen varios cilindros en los
motores equipados con carburador, solo una pequea porcin de combustible
vaporizado se separan en el mltiple de admisin las gotas y se dirigen a los
distintos cilindros, lo que se traduce en una variacin de la relacin aire-
combustible, a su vez se origina en la entrada de cada uno de los cilindros una
variacin sustancial de la composicin de los gases de escape, por esto es
necesario realizar el anlisis con diferentes muestras y luego promediar los
resultados.
Se logra observar en el manual de la casa FISHER, un aparato que
posee dos pipetas de absorcin ms una contiene un reactivo, cido sulfrico
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que se encarga de absorber CO, O, CO2 en caso de que reste algo en la
muestra la otra pipeta se denomina pipeta de absorcin de baja combustin,
consiste en una resistencia graduada con un restato para que la luz sea de
un amarillo brillante, esta pipeta se encarga de quemar los hidrocarburos no
saturados al exponer la muestra a la resistencia por un tiempo determinado.
ASME PTC 4.1
Mantener la eficiencia ptima de las calderas, no slo minimiza las
emisiones CO2, conserva dinero recursos y ahorra combustible. Por lo tanto,
se debe vigilarse peridicamente la eficiencia de las calderas, especialmente
en plantas de vapor industrial y calefaccin ms grande. Sin embargo,
generalmente, se dirige slo una vez o dos veces al ao, por un tcnico de
configurar los controles automticos y cuyo enfoque es ms probable en la
operacin segura, sin problemas de eficiencia ptima.
El estndar para determinar la eficiencia de las calderas en Amrica del
norte es el cdigo de prueba de potencia de ASME (ASME PTC 4.1-1964,
reafirm en 1973, tambin conocido como ANSI PTC 4.1-1974, reafirm
1985.). El ASME ha publicado cdigos de prueba adicionales, como los
generadores de vapor del recuperacin de calor de aire calentadores, (PTC
41), turbina de gas (PTC 4.4), grandes incineradores (PTC 33) y motores de
combustin interna (PTC 17) alternativo. Como muestra la figura, hay
numerosas entradas y salidas que afectan la eficiencia de la caldera, y
tratando de evaluar a
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