Influencia de los parámetros operacionales  en  la eficiencia termodinámica de instalaciones de baja y mediana  capacidad

Influence of operational parameters in thermodynamic efficiency facilities of low and medium capacity

Reinier Jiménez Borges^1*, Margarita Josefa Lapido Rodríguez¹, Orlando Herrera Bravo² y Elianis Cabezas Medell³

¹ Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente (CEEMA), Universidad de Cienfuegos "Carlos Rafael Rodríguez", Cuatro Caminos, Cienfuegos 59430. ]]> ²  Estudiante de Ingeniería Mecánica. Universidad de Cienfuegos.
³ Estudiante de Ingeniería Química. Universidad de Cienfuegos.

*Autor para la correspondencia: Alfredo Torres, Email: rjborges@ucf.edu.cu

En el trabajo se analiza el comportamiento de los principales parámetros operacionales de una caldera pirotubular para obtener su eficiencia por el método directo e indirecto bajo condiciones de cargas reducidas. Además se obtienen la composición de los gases de salida, el tiempo de trabajo del quemador instalado y el consumo de combustible, todo esto con la ayuda de equipos de mediciones. Se calcula el flujo de agua de alimentar para obtener la producción real de vapor teniendo en cuenta la demanda existente. Se determina igualmente el rendimiento energético y exergético del sistema y se analizan las pérdidas que existen en la red de distribución debido a la falta de aislamiento.

Palabras clave: Caldera pirotubular, cargas reducidas, eficiencia, pérdidas.

At work the behavior of the main operational parameters of a shell boiler efficiency for the direct and indirect method under conditions of reduced loads is analyzed. Moreover the composition of the exhaust gases are obtained, working time and the installed burner fuel, all this with help of metering equipment. The flow of feed water for steam production real considering the demand is calculated. It also determines the energetic and exergetic efficiency of system and the losses in the distribution network due to lack of insulation are analyzed.

Key words: Shell boiler, reduced loads, efficiency, losses.

INTRODUCCIÓN

La producción de vapor a nivel mundial tiene diversos usos en procesos industriales y ha creado un auge en la implementación de los generadores de vapor. El camino hacia el ahorro es una de las tendencias actuales más importantes, por lo que es necesario que se analicen los principales parámetros operacionales de estos equipos para comprobar que la energía disponible sea utilizada de la forma más eficiente posible (Nordelo y Rubio, 2010). En Cuba los equipos de baja potencia son los más generalizados con un total de 1837 calderas instaladas. La eficiencia energética de un generador de vapor puede ser evaluada por el método directo o el indirecto. El primero define la eficiencia de la caldera como la relación entre la energía aprovechada en la transformación del agua en vapor y la energía suministrada por el combustible y el indirecto considera las diferentes pérdidas que ocurren en el generador, (Lv et al., 2012) (Nordelo y Rubio, 2010). Las mayores y más frecuentes pérdidas en un generador de tipo pirotubular son las ocurridas en los gases de salida q₂ y por radiación al medio q₅. Según evaluaciones realizadas en unidades de este tipo, se observa que el peso relevante está en la pérdida de calor sensible con los gases, que alcanza valores que oscilan entre 8 y 30 %, Moya (2010) (Wong y Hong, 2014). Un aumento de la temperatura de los gases de salida de 12 a 16ºC puede representar aproximadamente un crecimiento de 1% en la pérdida de calor sensible con los gases de escape, es por ello que resulta deseable mantener la más baja temperatura posible para los gases de salida, Chang (2014). Otro tanto ocurre con la pérdida por radiación, cuyo valor a cargas parciales durante la operación puede superar el 5 % (Stultz y Kitto, 2005). En el caso particular de los generadores de vapor es indispensable la medición instantánea de parámetros operacionales para comprobar que la energía disponible se aproveche de la manera más eficiente posible.

El rendimiento energético en calderas industriales puede oscilar en un rango variable en función del uso, el tipo de combustible y el grado de sobredimensionamiento, entiéndase este último como  la cantidad de vapor que es capaz de producir la caldera y que sobrepasa la cantidad real necesaria demandada por el consumidor Moya (2010). Un aspecto importante en la evaluación del generador de vapor es la inclusión de la exergía en el análisis termodinámico, dicha propiedad permite incluir la calidad de la energía en los balances exergéticos de los procesos (Ohijeagbon et al., 2013). El rendimiento exergético (hb) mide el grado de perfección termodinámica de un sistema y se define como la relación entre el beneficio y el gasto exergético.

La determinación de la eficiencia en la caldera pirotubular objeto de estudio se ha realizado tradicionalmente por métodos rudimentarios, por no contar esta ni las empresas prestadoras del servicio de auditoría energética con equipos e instrumentos de medición adecuados, pudiendo de este modo introducir errores difíciles de detectar.

MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 Descripción del generador de vapor CMS-660

 2.2 Instrumentos  utilizados para la medición de los principales parámetros operacionales de las calderas

A partir del uso de técnicas no invasivas y con el auxilio de equipos como el pirómetro láser, el flujómetro ultrasónico y el analizador de gases de la combustión (figura 1) se realizaron las mediciones para la evaluación de las pérdidas y la eficiencia del generador que se investiga

2.3 Métodos para determinar la eficiencia en generadores de vapor.

Según (Nordelo y Rubio, 2010), existen dos métodos para determinar la eficiencia de un generador de vapor a partir de la ecuación de balance térmico: métodos directo e indirecto. El primero Se basa en relacionar directamente la producción del generador de vapor con el consumo, y determinar la eficiencia como el porcentaje que representa el calor útil (producción) del calor disponible (consumo).
Ecuación 1

 Calor útil

 Calor disponible

Consumo de combustible

El método indirecto parte de determinar la suma de las pérdidas térmicas expresadas en porcentaje del calor disponible y luego determinar, indirectamente, la eficiencia como el porcentaje restante.

Donde:

Pérdidas de calor sensible en gases de combustión.

Pérdidas por combustible no quemado.

Pérdida  por  incombustión mecánica.

Pérdidas por  radiación y convección.

Pérdidas por calor físico en el horno

Pérdidas por purgas.

Para poder determinar la eficiencia exergética es necesario hacer el balance energético que se acaba de describir. Este método tiene una ventaja con respecto al anterior por el hecho de que incluye la irreversibilidad del sistema al tener en cuenta la propiedad entropía (Ohijeagbon et al., 2013), que valora el cambio de las condiciones del sistema en función de las variaciones del proceso termoenergético y la influencia de la temperatura de referencia,  es decir la temperatura del medio ambiente que se considera para los cálculos exergéticos.

El cálculo de la exergía de un flujo tiene en cuenta los parámetros de entalpia y entropía del mismo en su estado actual con relación a los que  tendría en las condiciones de referencia y la expresión general para calcularla es:
Euación 3

Donde:

Entalpías de la sustancias en el estado considerado y en el ambiente de referencia, respectivamente ; .

Entropías de la sustancia en el estado considerado y en el ambiente de referencia, respectivamente.; .

Temperatura del ambiente de referencia;.

El cálculo del flujo exergético es:
Ecuación 4

Donde:

Exergía;

Flujo másico de la sustancia;

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La Tabla 2 resume las ecuaciones empleadas para el balance térmico por el método indirecto donde se evidencia claramente la influencia significativa de las dos principales pérdidas que ocurren en el  generador de vapor como son la pérdida por calor sensible q₂ y la pérdida por radiación q₅.

 

Los métodos aplicados y la instrumentación utilizada en el caso que se investiga cuantifican las pérdidas de mayor consideración de las calderas pirotubulares, las pérdidas por calor sensible que alcanza valores de 9,65 %  y la perdida por radiación (q₅) que refleja un valor promedio de 13,7 %,  para un rendimiento por el método indirecto de 76,7 %, un 75,7 % por el método directo y un rendimiento exergético de 27 % respectivamente como se observa en la Tabla 3.

La figura anterior refleja las diferentes destrucciones de la exergía con relación a la entrada y  las pérdidas que se producen en el transporte del vapor hasta el uso final.

3.1. Cálculo del ahorro de divisas  anual en pérdidas por aislamiento en las tuberías de vapor y retorno de condensado

Tuberías de vapor

Longitud de la tubería (L) = 80 m

Diámetro (D) = 1 ^1/2 pulgadas = 38,1 mm

Temperatura ambiente = 30⁰C

Ecuación 5

Tubería de retorno de condensado

Diámetro (D) =  pulgadas

D = 31,75mm

Temperatura del condensado = 73⁰C

Temperatura ambiente = 30⁰C

Ecuación 6

 

Para lograr este ahorro es necesario realizar una inversión en la compra de aislamiento térmico para la red de distribución.

Costo del metro de aislamiento -  11 USD.

Costo total del aislamiento para la red de distribución de vapor y retorno del condensado -1760 USD.

Como se muestra en la Figura 3 la inversión para la compra del aislamiento se puede recuperar en menos de un año, y en un período de 5 años se obtendría una ganancia de 12315,55 USD. De esta manera queda demostrado de manera simplificada a partir de un período simple de recuperación de la inversión que es totalmente factible la compra de  aislamiento térmico tanto para las redes de vapor como las de condensado para poder obtener los beneficios esperados.

CONCLUSIONES

1. El rendimiento energético  en la caldera mostró un valor de 75,65% por el método directo y de 76,74 por el método directo así como el rendimiento exergético apenas llego a un 27,1 %, lo que demuestra la irreversibilidad del sistema así como las destrucciones de exergía. Las pérdidas de exergía  en el generador de vapor son  213,37 kW y en el sistema de  transporte del vapor un  1 kW, en los tachos para la cocción con 59,4 kW y las redes de retorno de condensados es de 4,51 kW.

REFERENCIAS

Chang, L., Optimized operation of boiler., Advanced Materials Research,  Vols. 960-961, 2014, pp. 399-404.

Lv, Tai, Linghao, Y y Jinmin, S., A research of simplified method in boiler efficiency test. Part B, s.l. : Elsevier, 2012, Energy Procedia, Vol. 17, pp. 1007–1013. Disponible en:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187661021200536X

Moya, M., Determinación del factor de carga en las calderas pirotubulares en la ciudad de Cienfuegos, Energía y tú, Vol 31, 2010,  [Consultado: 5 de Marzo 2015]. Disponible en: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar31/HTML/articulo05N.htm 

Nordelo, A y Rubio, A ., Combustión y generación de vapor, Universo Sur, 2010, ISBN 978-959-07-1131-2.

Ohijeagbon, I., Waheed, M. A y O. Jekayinfa, S., Methodology for the physical and chemical exergetic analysis of steam boilers, 1, s.l. : Elsevier, 2013, Energy, Vol. 53, pp. 153–164. Disponible en: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544213001539

Stultz, S.C., and Kitto, J.B., Steam, its generation and use., 41^th ed, Ohio, USA, Babcock & Wilcox Co., 2005, ISBN 0-9634570-1-2.

Won, A. y Hong, W., A study on Supply with consideration on expectation level of energy-saving technology and consumption pattern of consumers-focusing on Boilers. Applied Mechanics and Materials, Vol. 672-674, 2014, pp. 489-492.

Recibido: Marzo 18, 2015
Revisado: Abril 24, 2015
Aceptado: Mayo 14, 2015