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AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [1/27]
BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS
1 Introducción2 Funcionamiento de una caldera3 Pérdidas energéticas en calderas4 Balance energético en una caldera. Rendimiento energético5 Ejercicios
Pedro G. Vicente Quiles
Área de Máquinas y Motores Térmicos
Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales
Universidad Miguel Hernández
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CALDERAS
Objetivos
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [2/27]
1. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas para identificar los flujosenergéticos útiles y las pérdidas energéticas.
2. Realizar un balance energético en una caldera, determinando la localización y mag-nitud de las pérdidas energéticas.
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CALDERAS
Definición, Introducción
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [3/27]
Aplicaciones:
Agua Caliente Sanitaria
Calefacción
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CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Clasificación según Norma UNE 9.002 (I)
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [4/27]
Por la transmisión del calor:
• De convección.
• De radiación.
• De radiación y convección.
Por el combustible utilizado:
• De carbón (de parrilla mecánica o pulverizado).
• Para combustibles líquidos.
• Para combustibles gaseosos.
• Para combustibles especiales (lejías, resíduos vegetaleso agrícolas, etc.).
• Para combustibles variados (calderas policombustibles).
Por la presión de trabajo:
• Subcríticas: baja (p≤1 bar), media (1<p<13 bar) y alta presión (p>13 bar).
• Supercríticas.
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CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Clasificación según Norma UNE 9.002 (II)
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [5/27]
Por el tiro:
• De tiro natural. El tiro se produce por la diferencia de densidad de los humos delos gases de combustión y el aire exterior.
• De tiro forzado: con hogar en sobrepresión, depresión o equilibrado.
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CALDERAS PIROTUBULARES
Funcionamiento.
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [6/27]
Los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de un volumen de agua,todo ello rodeado por una carcasa interior. Diseño limitadoa 25 bar.
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CALDERAS PIROTUBULARES
Esquema tridimensional
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [7/27]
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CALDERAS PIROTUBULARES
Fotografía de la caldera en fabricación
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [8/27]
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CALDERAS PIROTUBULARES
Fotografía caldera pirotubular
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [9/27]
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ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN
Pérdidas de energía en la combustión
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [10/27]
PÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA
Producción de inquemados. Definición de un rendimiento de lacombustión.
Pérdidas por inquemados sólidosQis.
Pérdidas por hidrocarburos inquemadosQCH.
Pérdidas porCOy H2 inquemados.
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ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN
Pérdidas por combustión incompleta
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PÉRDIDAS POR INQUEMADOS SÓLIDOSPis
Inquemados sólidos producen opacidad de los gases de combustión. Medida medianteÍndice de Bacharrach.
Bacha- Pérdidas Característicasrrach ( % PCI) de la combustión
1 0,8 Excelente. Ausencia de Hollín2 1,6 Buena. Hollín poco perjudicial3 2,4 Mediana. Cierta cantidad de hollín. Limpieza anual4 3,5 Pobre. Humo visible. Moderado a rápido ensuciamiento5 4,6 Muy pobre. Ensuciamiento seguro. Varias limpiezas al año6 5,7 Pobrísima
Relación Pis(%) y la lectura de la opacidad OP( %)
Pis(%) =21
21−O2×
(
OP(%)
65
)
% del calor total
Se producen principalmente en combustibles sólidos y en menor medida en combustibleslíquidos y pueden ser entre el 2 y el 3 % del total.
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ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN
Pérdidas por combustión incompleta
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PÉRDIDAS POR HIDROCARBUROS INQUEMADOSPCH
En los combustibles líquidos y gaseosos es habitual que no sequeme una parte de loshidrocarburos produciéndose pérdidas por hidrocarburos inquemados PCH. Estas pérdidasse pueden determinar de forma aproximada mediante:
PCH(%) =21
21−O2×
(
CH1000
)
siendoO2 el % deO2 en los gases yCH las ppm de hidrocarburos.
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ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN
Pérdidas por combustión incompleta
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [13/27]
PÉRDIDAS PORCO Y H2 INQUEMADOS PCO
No todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma enCO2 y enH2O.
QCO = 32800− (32800x+9200(1−x))kJ/kg deC
De igual modo, si se supone de solamente se transforma ely por uno deH2 a H2O, lapérdida por hidrógeno inquemado resulta:
QH2= 120900(1−y)kJ/kg deH
Habitualmente se considera que los inquemados deH2 con iguales a los inquemadosdeCO (que sí de miden). Adicionalmente a las expresiones indicadas anteriormente, laspérdidas por inquemados deCOy H2 se pueden calcular de forma aproximada mediante
PCO(%) =21
21−O2×
(
CO3100
)
siendoO2 el % deO2 en los gases yCO las ppm de CO en los gases.
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ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN
Pérdidas por combustión incompleta
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [14/27]
PÉRDIDAS TOTALES POR INQUEMADOS
Pinq = PCO+PH2 +PIS+PCH % del calor total
De forma aproximada se pueden calcular mediante:
Pinq(%) =21
21−O2×
(
CO3100
+CH1000
+OP(%)
65
)
Por convenio se suele considerarCH = CO, ya que generalmente los aparatos se medidaúnicamente midenCO.
RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN
Definido debido a que la combustión no es completa.El calor liberado por el combustible no esQc = mPCI. Definición:
η(%) = 100−Pinq(%)
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ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN
Pérdidas por combustión incompleta
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [15/27]
VALORES ÓPTIMOS DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN
Fuelóleo Gasóleo Gas naturalExceso de aire % 15 a 20 10 a 15 5 a 10O2 % 3 a 4 2 a 3 1 a 2Bacharrach 2 1 a 2 -COppm 400 <400 <400CH ppm 400 <400 <400
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CALDERAS
Pérdidas energéticas en Calderas
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [16/27]
1. PÉRDIDAS POR INQUEMADOS
Se producen inquemados porque no todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido enel combustible se transforma enCO2 y en H2O respectivamente. Además, aparecen laspérdidas por inquemados sólidosPIS o por hidrocarburos inquemadosPCH.Las pérdidas totales por inquemados resultan:
Pinq = PCO+PH2 +PIS+PCH
Las pérdidas por inquemados se pueden calcular mediante esta expresión teórico-experimental.
Pinq(%) =21
21−O2×
(
CO3100
+CH1000
+OP65
)
siendoO2 el % deO2 en los gases,CO las ppm de CO en los gases,CH las ppm de CHen los gases (hidrocarburos) yOP la opacidad de los gases ( %).
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CALDERAS
Pérdidas energéticas en Calderas
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [17/27]
2. PÉRDIDAS POR LOS GASES DE ESCAPE
Expresión de las pérdidas de calor en los gases de escape:
Pgases(%) = 100×mgcp,g(tg,s− tre f)
mf PCI
El calor específico medio,cp,g se puede tomar bien el correspondiente al aire seco(1,1 kJ/kg◦C) o bien determinarlo a partir de su composición.
cp,g =i=n
∑i=1
COMPi cp,i kJ/kg◦C
Asimismo se puede emplear la expresión del tipo
cp,g = M +Ntg,
donde los coeficientesM y N dependen del combustible, y del exceso del aire de la com-bustión.
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CALDERAS
Pérdidas energéticas en Calderas
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [18/27]
3. PÉRDIDAS POR LAS PAREDES
Ppar =i=n
∑i=1
Ai he(tp,ext− tamb)
dondeAi están atp,ext y he = he,R+he,C.
Convección natural. Caldera en interior de edificio
• Pared horizontal:he,C = 2,8 4√
tp,ext− tamb
• Pared vertical:he,C = 1,18 4√
(tp,ext− tamb)/H
• Pared cilíndrica:he,C = 1,13 4√
(tp,ext− tamb)/de
Convección forzada. Caldera al aire libre.
• he,C = 4,88+3,6V, dondeV es la velocidad del viento en m/s.
Radiación.
• he,R =[
4,96×10−8ε(tp,ext+273)4− (tamb+273)4]
/(tp,ext− tamb).
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CALDERAS
Balance energético. Rendimiento energético
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [19/27]
RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CALDERA
Rendimientoη(%) = 100×Energía útil
Energía consumida
Método directo del cálculo del rendimiento.Si se dispone de la instrumentaciónadecuada, se puede calcular directamente el rendimiento
η(%) = 100×m1(hv1,s−hag,e)+ m2(hv2,s−hag,e)
mf PCI
Método indirecto o de separación de pérdidas.Empleando el concepto de energíaútil, el rendimiento de la caldera será:
η(%) = 100×[
1−Pérdidas
Energía consumida
]
= 100−Pgas(%)−Pinq(%)−Ppar(%).
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CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [20/27]
EJERCICIO 1. En una caldera de gasóleo C se realiza el siguiente análisis de humos:%O2 = 5 %CO2 = 12, CO= 200ppm, Thumos= 150◦C. Determina la temperatura derocio de los humos.
De la Tabla 8.2 se obtiene que la combustión se realiza con un coeficiente de excesode aire den = 1,3, volumen de humos húmedos de 14,47 m3N/kgcomb, masa de humoshúmedos de 18,79 kg/kgcomby una composición de agua en humos de 1,01 kg/kgcomb.El volumen de agua en humos es de:
VH2O = mH2O22,4 m3N/kmolMH2O kg/kmol
= 1,01·22,418
= 1,26 m3N/kgcomb
La presión parcial del agua en los humos es de:
Pp = PT yH2O = PTVH2O
VHH= 101300
1,26 m3N/kgcomb
14,47 m3N/kgcomb= 8820 Pa
Interpolando se obtiene que la temperatura de rocío de los humos es de 41,5◦C.
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CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [21/27]
EJERCICIO 2. Calcula las pérdidas de energía por humos en% de la caldera del Ejer-cicio 1.
Para determinar las pérdidas de energía en humos, supondremos una temperatura ambi-ente de 20◦C. El calor específico de los humos a la temperatura media, esto es, a 85◦C esdecp = 1,049+0,0001108· (85+273) = 1,09. El PCI del gásoleo C es 40 964 kJ/kg.Las pérdidas de energía en los gases de escape se pueden calcular mediante,
Pge(%) = 100×mgecp,ge(tge− ta)
mf PCI= 100×
18,79·1,09· (150−20)1 ·40964
= 6,5%.
Empleando la expresión de Sieggert,
Pge(%) = K ×tge− ta
CO2+SO2= 0,58·
150−2012,16+0,04
= 6,2%.
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CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [22/27]
EJERCICIO 3. Calcula las pérdidas de energía por inquemados en% de la caldera delEjercicio 1.
Las pérdidas por inquemados a falta de información sobre la opacidad de los humos re-sultan:
Pinq(%) =21
21−5·(
2003100
+2001000
)
= 0,35%
22
CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [23/27]
EJERCICIO 4. Una caldera pirotubular de 2 metros de diámetro y 3 metros de longitudtrabaja a una temperatura de 80◦C. La virola es de acero y tiene un espesor de 10 mm yestá cubierta con una capa de aislante de fibra de vídrio de 30 mm de espesor. La calderaestá instalada al exterior con velocidad de viento de 2 m/s. Estima las pérdidas de energíapor transferencia de calor al ambiente (30◦C).
La temperatura del agua en la caldera es de 80◦C. Se considera que el coeficiente detransmisión de calor interiorhi es elevado y por tanto la temperatura de la pared interiorserá la del fluidot2 = t1. La conductividad térmica del acero es dekac= 50 W/m◦C y la delaislante dekais = 0,1 W/m◦C. Además como el diámetro es mucho mayor que el espesor,se puede considerar en toda la superficie transmisión de calor en superficies planas.Coeficiente de transmisión de calor en la pared circular.
1Ue,c
=1,041hi
+1,04ln(1,01/1,00)
50+
1,04ln(1,04/1,01)0,05
+1
14,03.
1Ue,c
=1∞
+1
4832+
11,64
+1
14,03=
11,468
⇒Ue,c = 0,681.
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CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [24/27]
Coeficiente de transmisión de calor en las tapas.
1Ue,t
=1
1hi+
0,0150
+0,040,05
+1
14,03.
1Ue,t
=1∞
+1
5000+
11,25
+1
14,03=
11,148
⇒Ue,t = 0,87.
Las pérdidas por transferencia de calor serán,
Ppar = [(πDL)Ue,c +(2πD2/4)Ue,t ] (t1− t5)
Ppar = [19,6 ·0,681+6,80·0,87] · (80−30)= 963 W.
siendo la temperatura en la pared exterior de la virola,
(t5− t4) =Ppar
Aehe=
19,6 ·0,681·5019,6 ·14,03
= 2,4⇒ t4 = 32,4◦C.
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CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [25/27]
EJERCICIO 5. Una caldera consume en 24 h 152,5 kg de gasóleo C (PCI=40000 kJ/kg).Determinar el diagrama Sankey y rendimiento de la caldera. Se dispone de la siguienteinformación adicional: temperatura de los humos: 210◦C, coeficiente de exceso de aire:n = 1,2, pérdidas por inquemados: 2 %, pérdidas por las paredes: 3,8kW. Cond. ambi-entales: 101300 Pa y 25◦C.
Energía aportada por el combustible,
Qf = mf PCI = (152,5/24/3600)40000= 70,6 kW.
Pérdidas por las paredes,
Pp = 3,8 kW , Pp(%) = 5,3%
Pérdidas por inquemados,
Pinq(%) = 2,0%, Pinq = 1,4 kW
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CALDERAS
Balance energético. Ejercicios
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [26/27]
Pérdidas por gases de escape
mge = 0,00176(1+1,2 ·13,67) = 0,031 kg/s,
Pge= mgecp,ge(tge− tre f) = 0,031·1,1(210−25) = 6,25 kW (8,85 %).
Energía útil
Eu = Qf−Pge−Ppar−Pinq = 70,6−6,25−3,8−1,4 = 59,2 kW.
Rendimientos de la caldera
η(%) = 100·Eu
Qf= 100·
59,270,6
= 83,8%.
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CALDERAS
Bibliografía
AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [27/27]
Bibliografía recomendada:
Molina, L.A., Molina, G., 1993, capítulo 2.
Molina, L.A., Alonso J.M., 1996, capítulo 2.
Hernández, J.J., Lapuerta, M, 1998, capítulos 5 y 7.
CEE, Libro II. Generación de Vapor, 1983, capítulos 2, 3 y 4.
CEE, Tomo 1, Fundamentos y ahorro en operaciones, 1982, pp. 133-175.
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