Clayton vs Conv Eficiencia (TEQUILA) Diesel

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CLCULO DE EFICIENCIA TOTAL DE UN GENERADOR DE VAPOR CLAYTON VS. CALDERA CONVENCIONAL

GENERALIDADES Como se sabe, los Generadores de Vapor se clasifican segn aplicacin y diseo. De acuerdo a diseo, a su vez, se clasifican en dos grandes grupos:

Pirotubulares, o de tubos de humo.

Acuotubulares, o de tubos de agua. La diferencia entre estos como se indica, radica precisamente en el diseo. Si bien esto es algo sumamente importante para un ingeniero, para una persona cuyo nico inters es generar vapor para su proceso, esto pasa a segundo trmino. Por lo general cuando se va a adquirir un Generador de Vapor, se pregunta, cul es el que le conviene ms? La respuesta a sta pregunta depende de varios factores, pero a esta persona slo le interesa saber, qu tan eficiente es el equipo que va a comprar y cul ser el costo por mantener activa esa inversin despus de adquirirlo. Para tener una visin ms clara del equipo que le conviene adquirir, se har un cotejo entre un Generador de Vapor Clayton (tubos de agua) y una Caldera Convencional de tubos de humo. Las especificaciones de estos equipos son las siguientes:

Potencia = 700 BHP

Presin de operacin, Pop = 7 kg/cm2 (man)

Temperatura de saturacin, Tsat = 169.6C

Temperatura de agua de alimentacin, TH2O = 15C

Temperatura del aire de alimentacin, Taire = 20C

Humedad relativa del aire = 70%

Temperatura de chimenea, T1chim = 160C (Clayton)

Temperatura de chimenea, T2chim = 210C (Convencional)

Combustible Diesl, PCS = 10,095 kcal/kg

Precio del combustible $ 11.4/kg

Exceso de aire = 20%

Ambos equipos trabajan al 70% de su carga promedio durante 24 horas al da, 365 das al ao

Por definicin se sabe que por cada BHP producido se obtienen 8436 kcal/h de energa calorfica, por lo que un Generador de 700 BHP producir:

kcal/h ,200905'51BHP

kcal/kg 8436BHP 700Q

(1) Por otro lado todo el calor se utiliza para llevar el agua desde temperatura inicial hasta vapor saturado a la presin correspondiente, por lo que:

Clculo de Eficiencia Total de un Generador de Vapor Clayton vs. Caldera Convencional

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)h(hm Q ig (2)

El primer trmino ( gh ) de la ecuacin 2 se refiere a la entalpa total del vapor saturado a la presin

correspondiente, y el segundo trmino ( ih ) se refiere a la entalpia inicial del agua de alimentacin,

es decir T1. Despejando m, se obtiene el flujo de vapor requerido por el proceso y el cual es generado por el Generador de 700 BHP

h

vaporde kg][

)h(h

Qm

i

g

A la temperatura de saturacin (Tsat = 169.6C) se obtienen los siguientes datos:

Entalpa de Vapor (hg): 660.9 kcal/kg

Entalpa del Agua (hf): 171.3 kcal/kg

Entalpa de Vaporizacin (hfg): 489.6 kcal/kg

h

kg 6.142,9

15)kcal/kg(660.9

kcal/h 7008,436m real

Este es el flujo real manejado por el sistema y el cual ser empleado en los siguientes clculos, ntese que difiere mucho de la capacidad nominal de (15.65 X 700=) 10,955 kg/hr.

CLCULO DE EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE VAPOR Matemticamente hablando, la eficiencia es:

TOTAL

PRDIDAS

TOTAL

PRDIDASTOTAL

TOTAL

ABSORBIDO

Q

Q1

Q

QQ

Q

Q

(3)

Como puede observar, en trminos generales, la eficiencia se puede medir dividiendo el calor absorbido (vapor generado) entre el calor suministrado (combustible consumido), donde el calor absorbido a su vez, es el calor total menos el calor debido a prdidas. El calor total se calcula a partir de:

CCTOTAL WPCSQ (4)

Donde:

PCSC = Poder Calorfico Superior del Combustible

WC = Consumo de Combustible

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Por otro lado el calor debido a prdidas se debe a: Combustin:

Agua procedente de la combustin del hidrgeno.

Humedad en el aire.

Gases secos de la chimenea.

Combustin incompleta.

Hidrgeno o hidrocarburos sin quemar, radiacin y otras prdidas.

Purga.

Calidad del Vapor.

PRDIDAS DE CALOR DEBIDO A COMBUSTIN

P1 = Agua procedente de la combustin del hidrgeno

El hidrgeno del combustible al quemarse se transforma en agua, el cual abandona el Generador de Vapor constituyendo parte de los gases de combustin, en forma de vapor recalentado.

fg21 hh 9HP (5) Donde:

P1 = Prdidas de calor en kcal por kg de combustible quemado

H2 = Peso en kg de H2 por kg de combustible quemado

hg = Entalpa del vapor recalentado a la Temperatura de los gases de chimenea y a una presin absoluta de 0.07 kg/cm

2, en kcal/kg

hf = Entalpa del agua a la temperatura a la cual el combustible entra, en kcal/kg

CLAYTON CONVENCIONAL

H2 = 15% hg (T1chim = 160C) = 663.55 kcal/kg hf = 15 kcal/kg

H2 = 15% hg (T2chim = 210C) = 692.59 kcal/kg hf = 15 kcal/kg

comb1

1

kcal/kg 868.79P

20663.55*0.15 9P

comb1

1

kcal/kg 903.14P

20692.59*0.15 9P

P2 = Humedad en el aire

agvas2 TT mm 0.46P (6) Donde:


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P2 = Prdidas de calor, en kcal por kg de combustible quemado

mas = Peso real de aire seco utilizado por kilogramo de combustible

mv = Porcentaje de saturacin expresado en forma decimal multiplicado por el peso de vapor de agua requerido para saturar 1 kg de aire

Tg = Temperatura de los gases de combustin a la salida del Generador en C

0.46 = Calor especfico medio del vapor de agua desde Tg a Ta

Ta = Temperatura del aire al entrar al hogar del Generador en C Donde a su vez:

4.32HO

8

1H 34.511.5CX1mas

X = Exceso de aire

comb

aire

askg

kg 17.940.15 34.5(0.85) 11.50.21m


comb2

2

kcal/kg 14.94P

201600.01847 x 0.717.94 0.46P

comb2

2

kcal/kg 20.27P

202100.01847 x 0.717.94 0.46P

P3 = Gases de la chimenea secos

aggsgs3 TT Cpm P (7) Donde:

P3 = Prdidas de calor, en kcal por kg de combustible quemado

mgs =peso de los gases secos a la salida de la caldera en kg, por kg de combustible quemado.

Cpgs = Calor especfico medio de los gases secos (valor aprox. = 0.24) Donde a su vez:

comb

2

22fgs kg/kg 17.75

0.0173) (12*3

700512*40.85

CO)3(CO

700O4CO%Cm


comb3

3

kcal/kg 596.4P

201600.24 17.75P

comb3

3

kcal/kg 809.40P

202100.24 17.75P

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P4 = Combustin Incompleta

Esta prdida generalmente es pequea y es debido a que no se suministra la cantidad suficiente de aire, lo cual da como resultado que parte del carbono combustible forme monxido de carbono.

12

4 C 5,689.6 COCO

CO P

(8)

Donde:

P4 = Prdidas de calor, en kcal por kg de combustible tal como se quema

CO y CO2 = Porcentaje en volumen respectivamente de Monxido y Bixido de Carbono determinado por anlisis de los gases de chimenea.

C1 = peso del Carbono realmente quemado por kilogramo de combustible

comb4 kcal/kg 96.60.85*5,689.60.017312

0.0173P

Prdida vlida para Clayton y para Convencional, esto porque no depende de la temperatura ni de la presin.

P5 = Radiacin

En un Generador de Vapor de tubos de agua, las prdidas por radiacin pueden ser controladas con el uso de aislantes trmicos, hasta hacerse prcticamente despreciables, sin embargo, no dejan de existir. Por lo general el fabricante del equipo proporciona dicho dato, o bien se calcula a partir de la Ley de Stefan-Boltzmann que hace referencia a la cantidad de energa radiante emitida o calor radiado por un cuerpo. De acuerdo con esta ley dicho calor radiado es proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia:

4

B5 ATKP (9)

Donde:

= Coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo, = 1 para un cuerpo negro perfecto.

A = rea de la superficie que radia

KB = Constante de Stefan-Boltzmann con un valor de 5.67x10-8 W/m2K

4

T = Temperatura del cuerpo Por norma la temperatura de la superficie de los Generadores de Vapor debe ser mximo del 60C = 333.15 K La caldera est radiando a medida que consume combustible, por lo que el clculo de prdidas de radiacin se hace en funcin del combustible consumido por unidad de tiempo, para el caso de prdidas por radiacin, considere un consumo de combustible proporcional al 70% de carga.


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A = 21 m2

comb5

5

42

42

-8

5

kcal/kg 77.021P

W11,734.14P

)(333.15K)m (21K m

W5.67x100.8P

A = 46.45 m2

comb5

5

42

42

-8

5

kcal/kg .60252P

W25,954.82P

)(333.15K)m (46.45K m

W5.67x10 0.8P

PRDIDAS POR COMBUSTIN kcal/kg


P1 = 868.79 P2 = 14.94 P3 = 596.4 P4 = 6.96 P5 = 102.77 QT = 10,095

P1 = 903.14 P2 = 20.27 P3 = 809.40 P4 = 6.96 P5 = 225.60 QT = 10,095

comb

5i

1i

kcal/kg 1,589.86Pi

= 0.843 = 84.3 % CONSUMO DE COMBUSTIBLE ( Mfuel )

comb

FUELkgkcal

hrkcalM

/095,10843.0

/436,8700

hr

kgM combFUEL 29.694

comb

5i

1i

kcal/kg 1,965.37Pi

= 0.802 = 80.5 % CONSUMO DE COMBUSTIBLE ( Mfuel )

comb

FUELkgkcal

hrkcalM

/095,10802.0

/436,8700

hr

kgM combFUEL 35.726

P6 = PRDIDA DE CALOR DEBIDO A PURGA

En todo Generador de Vapor, el agua de caldera lleva consigo slidos disueltos (TDS), los cuales a alta temperatura y presin adquieren altas velocidades y causan incrustacin, por este motivo deben ser purgados del sistema de vapor. En el caso de las calderas convencionales, la cantidad de agua que debe purgarse es de 1/3 del volumen total, lo que implica eliminar producto qumico

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(debido a que el agua desechada es agua ya tratada), calor (el cual ha sido aadido del combustible quemado), y por consiguiente dinero. En Generadores de Vapor Clayton, las purgas se llevan a cabo en volmenes pequeos de agua, por lo que el porcentaje de purga es propiamente entre 80-90% menor de la cantidad de purga de generadores de vapor convencionales. Por tanto, entre menor cantidad de agua se purga, se reducen los costos de combustible y de producto qumico.

Clculo de Purga de Slidos en Generadores de Vapor

Con base a la Figura 1, y haciendo un balance de masas de entradas y salidas al sistema de Generador de Vapor Clayton, se tiene el siguiente balance:

PKVKR*KAS*K PVRAS (10)

Donde:

KAS = Concentracin de TDS de Agua de Suministro (Make Up) en mg/L

KR = Concentracin de TDS de Retorno de Condensados en mg/L

KV = Concentracin de TDS de Vapor Generado en mg/L

KP = Concentracin de TDS de Agua de Purga hacia el drenaje en mg/L

AS = Agua de Suministro (Make Up) en litros

R = Retorno de Condensados en litros

V = Vapor Generado en litros

P = Agua de Purga hacia el drenaje en litros

FIGURA 1. PURGA DE SLIDOS EN GENERADORES DE VAPOR

En trminos generales se puede considerar que los TDS de KR y KV son cero, por lo tanto de la frmula 10 se deduce que:


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P

AS

K

KASP (11)

Haciendo nuevamente un balance de masas de entradas y salidas en el Generador de Vapor Clayton se tiene que:

P)(T*KVKAC*K PVAC

Donde:

KAC = Concentracin de TDS de Agua de Suministro al Generador de Vapor en mg/L

AC = Agua de Suministro al Generador de Vapor en litros

T = Retorno de la Trampa del Separador de Vapor en litros Nuevamente, considerando en trminos generales KV como cero, queda:

P)(T*KAC*K PAC

Despejando KP:

PT

AC*KK ACP (10)

Por condiciones de diseo para el Generador de Vapor Clayton, el agua de alimentacin del Generador (AC) se suministra considerando que el sobreflujo recuperado en el Separador de Vapor sea de un 20% de la generacin de vapor, por lo que:

AC*0.20PT Sustituyendo este valor en 10:

ACAC

P K*520.0

KK (11)

Los valores recomendados de TDS (KAC) de agua de alimentacin al Generador de Vapor son de 3000 a 6000 mg/L, por lo que los valores de KP en base a la formula 11 sern:

30,000 K 15,000 P (12) Utilizando la formula 9 y aplicando los valores encontrados para KP y considerando un Agua de Suministro Suavizada con promedios de 400 mg/L, se encuentra que la purga necesaria para un Generador de Vapor Clayton es:

2.7%AS P AS 1.3% Para calcular la purga requerida en un Generador de Vapor Convencional de tubo de humo o de tubos de agua se cumple tambin la frmula 11, aunque los valores de TDS recomendados son:

1,500 K 1000 P Nuevamente aplicando estos valores en la frmula 11 con un Agua de Suministro Suavizada con 400 mg/L, la purga necesaria para mantener los TDS sera:

40%AS P AS 27%

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Esta purga finalmente es agua suavizada con productos qumicos para el tratamiento interno del Generador de Vapor y se descarga al drenaje a la temperatura de saturacin del vapor, lo que implica prdida de energa y combustible.

Costo de la Purga de Slidos de un Generador de Vapor

P6: PRDIDA DE CALOR POR PURGA


h

kg 121.9

h

L 9,142.6

000,30

400Purga

kcal/h 18,845.9Q

C15C169.6Ckg

kcal 1

h

kg 121.9Q

T mCpQ

Dividido entre 694.29 kg/h de combustible

P6 = 27.14 Kcal/kgcomb

= 0.840 = 84.0 %

h

kg 2,438.0

h

kg 9,142.6

500,2

400Purga

kcal/h 226,151.2Q

C15C169.6Ckg

kcal 1

h

kg 2,438.0Q

T mCpQ

Dividido entre 726.35 kg/h de combustible

P6 = 311.35 Kcal/kgcomb

= 0.774 = 77.4 %

P7: PRDIDA DE CALOR DEBIDO A ARRASTRE DE HUMEDAD

La formacin de vapor se realiza sobre las superficies calientes del generador de vapor, por lo que en un sistema convencional de Tubos de Humo, las burbujas de vapor debern viajar por el lecho del lquido hasta separarse a alta velocidad en el espejo de agua formado por superficie lquida. Este proceso arrastra gran cantidad de humedad con alto contenido de slidos hacia el exterior de la caldera, se ha calculado que en promedio existe un arrastre del 3% de humedad lo que implica baja calidad del vapor. La energa que se aprovecha del vapor es solamente la Entalpa de Condensacin, por lo que este arrastre de humedad implica la perdida de calor debido a que se debe de llevar agua desde su temperatura inicial de alimentacin hasta la temperatura de saturacin sin convertirse en vapor. Los generadores Clayton debido a su diseo, cuentan con un separador centrifugo que logra separar la humedad a travs de una propela fija que produce un cicln que separa el vapor del lquido, el cual cae por el peso de la gravedad al fondo del separador y despus es llevado a travs de una trampa de vapor hacia el tanque de condensados donde se aprovecha este calor como


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sistema de precalentamiento. Gracias a este sistema se logra obtener una calidad mnima del vapor del 99.5%.

Clculo de Calor Perdido por Arrastre de Humedad.

La cantidad de calor perdida debido al arrastre, es el calor necesario para calentar esa agua de la temperatura de alimentacin (15C) hasta la temperatura de saturacin: CALDERA TUBOS DE HUMO:

h

kcal 3.403,42C51C170

Ckg

kcal 1

h

kg 9,142.6 3%T Cp mQ

(14)

Dividido entre 726.35 Kg/h de combustible

GENERADOR DE VAPOR CLAYTON:

h

kcal 2.067,7C15C170

Ckg

kcal 1

h

kg6.142,9%5.0T Cp mQ

(15)

Dividido entre 694.29 Kg/h de combustible

PRDIDA TOTAL DE CALOR Y EFICIENCIA DE CADA EQUIPO


Q prdidas-combustin = 1,589.86 kcal/kg

Q prdidas-purga = 27.14 kcal/kg

Q prdidas-arrastre = 10.18 kcal/kg

Q prdidas-total = 1,627.18 kcal/kg

Q prdidas-combustin = 1,965.37 kcal/kg

Q prdidas-purga = 311.35 kcal/kg

Q prdidas-arrastre = 58.38 kcal/kg

Q prdidas-total = 2,335.10 kcal/kg

comb

comb

kcal/kg 10,095

kcal/kg 1,627.181

comb

comb

kcal/kg 10,095

kcal/kg 2,335.101

% 83.9 ,Eficiencia % 9.67 ,Eficiencia

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COSTO DE OPERACIN DE AMBOS EQUIPOS TRABAJANDO AL 70% DE CARGA DURANTE 24 HORAS Y 365 DIAS POR AO.

Costo por Consumo de Combustible por Operacin


PCS

Qkg comb

h

kg 697.35

% 83.9*h

kcal 10,095

kcal/h 8,436700kg comb

ao

das 365

da

h 24

h

697.35kg0.7kgcomb

ao

kg 364'276,123.kgcomb

kg

$11.4

ao

kg 364'276,123.

ao

$

PCS

Qkg comb

h

kg 760.96

% 76.9*h

kcal 10,095


ao

das 365

da

h 24

h

kg 760.960.7kgcomb

ao

kg 844'666,207.kgcomb

kg

$11.4

ao

kg 844'666,207.

ao

$

ao

.3048'747,806 $

ao

$

ao

.3653'194,769 $

ao

$

Ahorro Anual utilizando el Generador de Vapor Clayton: $4446,963.05 (8%)


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COSTO DE OPERACIN POR CAMBIO DE COMBUSTIBLE La propuesta es el uso de Gas LP o Gas Natural para reducir los costos de operacin actual con el consumo de combustleo.

COMBUSTIBLE PODER CALORIFICO COSTO

GAS NATURAL 8,044 Kcal/m3 $ 2.78 /m3

GAS LP 11,953 Kcal/kg $ 9.21 /kg

GAS NATURAL GAS LP

PCS

Qm comb

3

h

878.07m

% 83.6*h

kcal 8,044

kcal/h 8,436700m

3

comb3

ao

das 365

da

h 24

h

878.07kg0.7m comb

3

ao

m 65'384,299.m

3

comb3

3m

$2.78

ao

kg 65'384,299.

ao

$

PCS

Qkg comb

h

kg 590.91

% 83.6*h

kcal 11,953


ao

das 365

da

h 24

h

kg 590.910.7kgcomb

ao

kg 43'623,467.kgcomb

kg

$9.21

ao

kg 43'623,467.

ao

$

ao

.9014'968,352 $

ao

$

ao

.8933'372,134 $

ao

$

Ahorro Anual utilizando CLAYTON y GAS NATURAL: $ 38275,693.03 (72%)

Ahorro Anual utilizando CLAYTON y GAS LP: $ 19932,497.22 (37%)

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