BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS 1 2 3 4 5 Introducción Funcionamiento de una caldera Pérdidas energéticas en calderas Balance energético en una caldera.Rendimiento energético Ejercicios Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [1/27] CALDERAS Objetivos 1. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas para identificar los flujos energéticos útiles y las pérdidas energéticas. 2. Realizar un balance energético en una caldera, determinando la localización y magnitud de las pérdidas energéticas. AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [2/27] GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [3/27] .CALDERAS Definición. Introducción Aplicaciones: Agua Caliente Sanitaria Calefacción AMMT UMH. etc.CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Clasificación según Norma UNE 9. Por el combustible utilizado: • Para combustibles especiales (lejías. • Para combustibles líquidos. • De radiación.). • De carbón (de parrilla mecánica o pulverizado). • Para combustibles gaseosos. • De radiación y convección. media (1<p<13 bar) y alta presión (p>13 bar). • Para combustibles variados (calderas policombustibles). • Subcríticas: baja (p≤1 bar). resíduos vegetales o agrícolas. Por la presión de trabajo: • Supercríticas. AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [4/27] .002 (I) Por la transmisión del calor: • De convección. El tiro se produce por la diferencia de densidad de los humos de los gases de combustión y el aire exterior. • De tiro forzado: con hogar en sobrepresión. AMMT UMH. depresión o equilibrado.002 (II) Por el tiro: • De tiro natural.CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Clasificación según Norma UNE 9. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [5/27] . AMMT UMH. Diseño limitado a 25 bar.CALDERAS PIROTUBULARES Funcionamiento. Los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de un volumen de agua. todo ello rodeado por una carcasa interior. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [6/27] . CALDERAS PIROTUBULARES Esquema tridimensional AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [7/27] . GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [8/27] .CALDERAS PIROTUBULARES Fotografía de la caldera en fabricación AMMT UMH. CALDERAS PIROTUBULARES Fotografía caldera pirotubular AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [9/27] . GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [10/27] . Pérdidas por inquemados sólidos Qis . Definición de un rendimiento de la combustión. Pérdidas por hidrocarburos inquemados QCH . Pérdidas por CO y H2 inquemados.ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas de energía en la combustión P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA Producción de inquemados. AMMT UMH. Humo visible. Moderado a rápido ensuciamiento Muy pobre.ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS POR INQUEMADOS SÓLIDOS Pis Inquemados sólidos producen opacidad de los gases de combustión.6 2. Ausencia de Hollín Buena. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [11/27] . Limpieza anual Pobre.4 3.5 4. Varias limpiezas al año Pobrísima Relación Pis ( %) y la lectura de la opacidad OP( %) Pis ( %) = OP( %) 21 × 21 − O2 65 % del calor total Se producen principalmente en combustibles sólidos y en menor medida en combustibles líquidos y pueden ser entre el 2 y el 3 % del total. Bacharrach 1 2 3 4 5 6 Pérdidas ( % PCI) 0. Ensuciamiento seguro. Medida mediante Índice de Bacharrach.8 1. Hollín poco perjudicial Mediana. AMMT UMH.7 Características de la combustión Excelente.6 5. Cierta cantidad de hollín. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS POR HIDROCARBUROS INQUEMADOS PCH En los combustibles líquidos y gaseosos es habitual que no se queme una parte de los hidrocarburos produciéndose pérdidas por hidrocarburos inquemados PCH . AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [12/27] . Estas pérdidas se pueden determinar de forma aproximada mediante: PCH ( %) = 21 CH × 21 − O2 1000 siendo O2 el % de O2 en los gases y CH las ppm de hidrocarburos. si se supone de solamente se transforma el y por uno de H2 a H2 O. Adicionalmente a las expresiones indicadas anteriormente. QCO = 32 800 − (32 800x + 9200(1 − x))kJ/kg de C De igual modo. AMMT UMH.ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS POR CO Y H2 INQUEMADOS PCO No todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma en CO2 y en H2 O. la pérdida por hidrógeno inquemado resulta: QH2 = 120 900 (1 − y) kJ/kg de H Habitualmente se considera que los inquemados de H2 con iguales a los inquemados de CO (que sí de miden). GENERACIÓN DE CALOR . las pérdidas por inquemados de CO y H2 se pueden calcular de forma aproximada mediante PCO ( %) = 21 CO × 21 − O2 3100 BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [13/27] siendo O2 el % de O2 en los gases y CO las ppm de CO en los gases. El calor liberado por el combustible no es Qc = m PCI. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [14/27] . ya que generalmente los aparatos se medida únicamente miden CO. Definición: ˙ η( %) = 100 − Pinq ( %) AMMT UMH.ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta P ÉRDIDAS TOTALES POR INQUEMADOS Pinq = PCO + PH2 + PIS + PCH % del calor total De forma aproximada se pueden calcular mediante: Pinq ( %) = CO CH OP( %) 21 + + × 21 − O2 3100 1000 65 Por convenio se suele considerar CH = CO. R ENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN Definido debido a que la combustión no es completa. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [15/27] .ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN Pérdidas por combustión incompleta VALORES ÓPTIMOS DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN Fuelóleo Gasóleo Gas natural Exceso de aire % 15 a 20 10 a 15 5 a 10 O2 % 3a4 2a3 1a2 Bacharrach 2 1a2 CO ppm 400 <400 <400 CH ppm 400 <400 <400 AMMT UMH. Además. Las pérdidas totales por inquemados resultan: Pinq = PCO + PH2 + PIS + PCH Las pérdidas por inquemados se pueden calcular mediante esta expresión teórico-experimental.CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 1. CO las ppm de CO en los gases. P ÉRDIDAS POR INQUEMADOS Se producen inquemados porque no todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma en CO2 y en H2 O respectivamente. Pinq ( %) = 21 CH OP CO + + × 21 − O2 3100 1000 65 siendo O2 el % de O2 en los gases. CH las ppm de CH en los gases (hidrocarburos) y OP la opacidad de los gases ( %). aparecen las pérdidas por inquemados sólidos PIS o por hidrocarburos inquemados PCH . AMMT UMH. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [16/27] . g se puede tomar bien el correspondiente al aire seco (1.g = M + N tg .g = i=1 ∑ COMPi c p.g (tg. c p. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [17/27] . AMMT UMH. donde los coeficientes M y N dependen del combustible. i=n c p.i kJ/kg◦C Asimismo se puede emplear la expresión del tipo c p. y del exceso del aire de la combustión.s − tre f ) ˙ m f PCI ˙ El calor específico medio. P ÉRDIDAS POR LOS GASES DE ESCAPE Expresión de las pérdidas de calor en los gases de escape: Pgases ( %) = 100 × mg c p.CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 2.1 kJ/kg◦C) o bien determinarlo a partir de su composición. .R = 4.C = 1.ext + 273)4 − (tamb + 273)4 /(t p.CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 3.6V . AMMT UMH.C = 4. Radiación.13 4 (t p.88 + 3.C . Caldera en interior de edificio √ • Pared horizontal: he.ext − tamb • Pared cilíndrica: he.96 × 10−8ε(t p. donde V es la velocidad del viento en m/s.C = 2.ext − tamb).ext y he = he. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [18/27] • Pared vertical: he.ext − tamb )/de • he. P ÉRDIDAS POR LAS PAREDES Ppar = ∑ Ai he (t p.C = 1. Caldera al aire libre.ext − tamb )/H Convección forzada. Convección natural.8 4 t p. • he.R + he.18 4 (t p.ext − tamb) i=1 i=n donde Ai están a t p. e ) + m2(hv2.s − hag. GENERACIÓN DE CALOR .CALDERAS Balance energético. Rendimiento energético R ENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CALDERA Energía útil Rendimiento η( %) = 100 × Energía consumida Método directo del cálculo del rendimiento. BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [19/27] AMMT UMH. se puede calcular directamente el rendimiento η( %) = 100 × m1 (hv1. Empleando el concepto de energía útil.s − hag.e ) ˙ ˙ m f PCI ˙ Método indirecto o de separación de pérdidas. el rendimiento de la caldera será: η( %) = 100 × 1 − Pérdidas Energía consumida = 100 − Pgas ( %) − Pinq ( %) − Ppar ( %). Si se dispone de la instrumentación adecuada. 26 m3N/kgcomb VH2O = mH2 O MH2O kg/kmol 18 La presión parcial del agua en los humos es de: VH2 O 1.79 kg/kgcomb y una composición de agua en humos de 1.2 se obtiene que la combustión se realiza con un coeficiente de exceso de aire de n = 1.26 m3 N/kgcomb = 8820 Pa = 101 300 Pp = PT yH2 O = PT VHH 14.47 m3 N/kgcomb Interpolando se obtiene que la temperatura de rocío de los humos es de 41. El volumen de agua en humos es de: 22.47 m3N/kgcomb . En una caldera de gasóleo C se realiza el siguiente análisis de humos: %O2 = 5 %CO2 = 12.CALDERAS Balance energético. AMMT UMH.01 kg/kgcomb. masa de humos húmedos de 18. CO = 200ppm. 4 m3N/kmol = 1. volumen de humos húmedos de 14.5◦C. Thumos = 150◦C. Determina la temperatura de rocio de los humos. 4 22. 01 · = 1. De la Tabla 8. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [20/27] . Ejercicios EJERCICIO 1.3. esto es.79 · 1. supondremos una temperatura ambiente de 20◦C. m f PCI ˙ 1 · 40 964 Empleando la expresión de Sieggert.CALDERAS Balance energético.2 %.5 %.04 AMMT UMH.58 · CO2 + SO2 12. Ejercicios EJERCICIO 2. 0001108 · (85 + 273) = 1. El PCI del gásoleo C es 40 964 kJ/kg.ge (tge − ta) ˙ 18. Pge ( %) = 100 × mge c p. El calor específico de los humos a la temperatura media. = 0.16 + 0. Para determinar las pérdidas de energía en humos. 049 + 0. 09. a 85◦C es de c p = 1. Las pérdidas de energía en los gases de escape se pueden calcular mediante. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [21/27] . Calcula las pérdidas de energía por humos en % de la caldera del Ejercicio 1. Pge ( %) = K × tge − ta 150 − 20 = 6.09 · (150 − 20) = 100 × = 6. 35 % AMMT UMH.CALDERAS Balance energético. Las pérdidas por inquemados a falta de información sobre la opacidad de los humos resultan: Pinq ( %) = 200 200 21 · + 21 − 5 3100 1000 = 0. Calcula las pérdidas de energía por inquemados en % de la caldera del Ejercicio 1. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [22/27] . Ejercicios EJERCICIO 3. 04/1. Se considera que el coeficiente de transmisión de calor interior hi es elevado y por tanto la temperatura de la pared interior será la del fluido t2 = t1 . Una caldera pirotubular de 2 metros de diámetro y 3 metros de longitud trabaja a una temperatura de 80◦C.CALDERAS Balance energético. 1.64 14. se puede considerar en toda la superficie transmisión de calor en superficies planas.1 W/m◦ C. Ejercicios EJERCICIO 4. Estima las pérdidas de energía por transferencia de calor al ambiente (30◦C). Además como el diámetro es mucho mayor que el espesor. Coeficiente de transmisión de calor en la pared circular. La temperatura del agua en la caldera es de 80◦C.01) 1 1 = + + + .468 AMMT UMH.03 1. Ue.00) 1. La conductividad térmica del acero es de kac = 50 W/m◦ C y la del aislante de kais = 0.05 14.c 1 hi 50 0.01/1. La virola es de acero y tiene un espesor de 10 mm y está cubierta con una capa de aislante de fibra de vídrio de 30 mm de espesor.c = 0. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [23/27] . La caldera está instalada al exterior con velocidad de viento de 2 m/s.681.c ∞ 4832 1.04 ln(1.03 1 1 1 1 1 1 = + + + = ⇒ Ue.04 ln(1. Ue.04 1. 03 AMMT UMH.t 1 hi 50 0.681 + 6. Ppar = [(πDL)Ue.6 · 0. Ae he 19.25 14.t = 0. 4 ⇒ t4 = 32.05 14.03 1. siendo la temperatura en la pared exterior de la virola.6 · 0.80 · 0.6 · 14.87] · (80 − 30) = 963 W.87.681 · 50 = = 2.03 1 1 1 1 1 1 = + + + = ⇒ Ue. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [24/27] .CALDERAS Balance energético. Ejercicios Coeficiente de transmisión de calor en las tapas.t ∞ 5000 1.c + (2πD2/4)Ue.148 Las pérdidas por transferencia de calor serán. 1 0. Ue.04 1 1 = + + + .t ] (t1 − t5) Ppar = [19.4◦C. Ue. (t5 − t4 ) = Ppar 19.01 0. ambientales: 101300 Pa y 25◦C.8 kW . Energía aportada por el combustible.6 kW. Ejercicios EJERCICIO 5. ˙ Q f = m f PCI = (152. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [25/27] . Cond.0 %. ˙ Pp = 3.2.CALDERAS Balance energético.3 % Pérdidas por inquemados.8 kW. Se dispone de la siguiente información adicional: temperatura de los humos: 210◦C. Pinq = 1. Pp( %) = 5.5/24/3600)40 000 = 70. ˙ Pinq ( %) = 2. Determinar el diagrama Sankey y rendimiento de la caldera. ˙ Pérdidas por las paredes.5 kg de gasóleo C (PCI=40000 kJ/kg). coeficiente de exceso de aire: n = 1. pérdidas por inquemados: 2 %. pérdidas por las paredes: 3. Una caldera consume en 24 h 152.4 kW AMMT UMH. 00176(1 + 1.25 kW (8.8 %.8−1. ˙ Energía útil ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ Eu = Q f −Pge −Ppar −Pinq = 70. ˙ ˙ Pge = mge c p.2 · 13. η( %) = 100 · ˙ 70. Rendimientos de la caldera ˙ 59.25−3.85 %).ge (tge − tre f ) = 0.67) = 0.2 kW. Ejercicios Pérdidas por gases de escape mge = 0.4 = 59.031 · 1.CALDERAS Balance energético.2 Eu = 100 · = 83.6−6.6 Qf AMMT UMH.1(210 − 25) = 6. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [26/27] .031 kg/s. pp. Libro II. L. capítulo 2.J. Tomo 1.. capítulos 2. GENERACIÓN DE CALOR BALANCE ENERGÉTICO EN CALDERAS [27/27] . Alonso J. Lapuerta. CEE. 133-175. Hernández. capítulos 5 y 7. Molina. Molina. G. M.. capítulo 2. Generación de Vapor..M. AMMT UMH.A. Fundamentos y ahorro en operaciones. 1996. 3 y 4. 1982.CALDERAS Bibliografía Bibliografía recomendada: Molina. CEE. 1983. 1993.A. L.. 1998. J..