Analisis Uso de GLP vs Diesel

1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA – ENERGIA

INSTITUTO DE INVESTIGACION

INFORME FINAL DEL PROYECTO DE INVESTIGACION

“ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS GASES DE ESCAPE DE LA CALDERA

PIROTUBULAR DEL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS Y

MAQUINAS TÉRMICAS DE LA FIME, USANDO COMBUSTIBLE GLP Y

DIESEL N° 2 Y SU IMPACTO SOBRE EL MEDIO AMBIENTE”

ING. JAIME GREGORIO FLORES SÁNCHEZ

(01 de Junio del 2010 al 31 de Mayo del 2012)

(Resolución Rectoral Nº 705 – 2010 – R)

2

“ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS GASES DE ESCAPE DE LA CALDERA

PIROTUBULAR DEL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS Y

MAQUINAS TÉRMICAS DE LA FIME, USANDO COMBUSTIBLE GLP Y

DIESEL N° 2 Y SU IMPACTO SOBRE EL MEDIO AMBIENTE”

ING. JAIME GREGORIO FLORES SÁNCHEZ

(01 de Junio del 2010 al 31 de Mayo del 2012)

(Resolución Rectoral Nº 705 – 2010 – R)

3

INDICE

1. RESUMEN

2. INTRODUCCION

2.1. OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN

2.2. PROBLEMA

2.3. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

3. MARCO TEORICO

3.1. CALDERA

3.2. CLASIFICACION DE CALDERAS

3.3. COMBUSTION

3.4. COMBUSTIBLES

4. MATERIALES Y METODOS

4.1. MATERIALES

4.2. METODOS

5. RESULTADOS

5.1. CUADRO COMPARATIVO DE LA EFICIENCIA DE LA CALDERA

5.2. DIAGRAMA DE SANKEY PARA CADA COMBUSTIBLE

5.3. DIAGRAMA DE PERDIDAS DE ENERGIA TERMICA PORCENTUAL

6. DISCUSIÓN

6.1. VALORIZACION DEL IMPACTO AMBIENTAL

6.2. VALORIZACION SOBRE LA SALUD DE LOS SERES VIVOS

6.3. IMPACTOS OCUPACIONALES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN

6.4. BUENAS PRÁCTICAS OPERATIVAS

7. REFERENCIAS

8. APENDICE

8.1. COMBUSTIBLE DIESEL Nº 2

8.2. COMBUSTIBLE GLP

9. ANEXOS

9.1. COMBUSTIBLES

9.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL DIESEL Y EL GLP

9.3. PROPIEDADES

9.4. DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA

9.5. NORMAS USADAS ANTERIORMENTE PARA LA DETERMINACIÓN DE LA

EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

4

5

6

6

7

7

9

9

10

16

23

30

30

34

35

36

37

39

41

41

44

48

49

54

56

56

57

58

59

61

62

65

68

4

1. RESUMEN

El presente trabajo de investigación nos lleva a la conclusión que debemos tener

presente de los daños que ocasionan la utilización del uso de combustible diesel en el

funcionamiento de nuestra caldera sino en las diferentes industrias a nivel nacional.

Se debe tener presente que los combustibles menos dañinos GLP y GN y que su

utilización como combustible se debe masificar y obligar tanto a la mediana y pequeña

industria, pero esto es tarea de las autoridades que tienen que cambiar y/o modificar las

normas y reglamentos vigentes, dando alternativas, plazos y facilidades para que los

propietarios de estos equipos hagan la conversión oportuna del combustible.

Los cuadros que mostramos nos reflejan y confirman realidades que se tenían

conocimiento, pero no con cifras exactas y datos reales. La eficiencia de la caldera

desde un punto térmico notamos que los valores obtenidos son completamente

diferentes usando los combustibles materia de análisis. Como se muestran en los

cuadros la composición de sus características y propiedades difieren en porcentajes

y/o composición, de ahí los resultados que se obtienen son completamente diferentes.

Estos valores y resultados nos alertan a buscar otros tipos de combustible alternativos

que no sean muy perjudiciales ni dañinos al medio ambiente ni a los seres vivos,

específicamente tener mas cuidado con las personas que al ingerir estos gases emanados

por estos equipos térmicos se están contaminando silenciosamente.

5

2. INTRODUCCION

Los tipos de combustibles mas usados en la actualidad son el petróleo (diesel), tanto en

la industria como en el transporte, origina mas daño tanto al ser humano, animales y el

medio ambiente; el presente trabajo culminado nos muestra la diferencia que existe

entre éste y el GLP, ya sea térmica, económica, transporte, almacenamiento,

distribución e impacto ambiental.

El petróleo principal fuente de energía desde hace muchos años en todo el mundo,

siendo el mas económico, fácil de transportar, distribuir y almacenar, sus reservas se

están viendo mermadas y su costo cada vez es mayor, también se le atribuye su alto

poder contaminante, tanto en la industria, alumbrado, así como en la automoción, ya

que muchas normas en nuestro medio no se cumplen y son violadas ante la pasividad

de las autoridades competentes. Como fuente de energía tiene muchas ventajas

térmicas, desplazó al uso de combustibles salidos, que tienen un alto contenido de

dióxido de carbono en su combustión. En la comparación con el GLP veremos que

existen excelentes ventajas y diferencias, siendo su principal importancia el grado de

contaminación.

El GLP (acrónimo de gases licuados del petróleo), un gas combustible extremadamente

limpio, ofrece numerosas ventajas tanto a los usuarios finales como a la sociedad. Se

licúa con facilidad, lo que facilita su transporte y almacenamiento y lo convierte en una

opción energética muy versátil.

El GLP es una alternativa a los combustibles fósiles convencionales de bajo contenido

en carbono y disponibilidad inmediata. Su combustión emite un 33 % menos de CO2

que el carbón y un 15 % menos que el gasóleo.

Ofrece importantes ventajas medioambientales, en especial en términos de la calidad

delaire interior y exterior. Se caracteriza por sus bajas emisiones de partículas y NOx

además de bajo contenido en azufre y presenta muy buenos resultados para una serie de

contaminantes aún sin regular.

El GLP tiene numerosos usos como combustible, que incluyen, en el hogar: la

calefacción y el calentamiento de agua, la cocina, alumbrado y el secado térmico, así

como la generación de electricidad, calefacción industrial y combustible para

automoción5. Gracias a la amplia variedad de opciones de almacenamiento y envasado

6

(cartuchos, bombonas recargables de 2 a 45 kg, depósitos subterráneos o en superficie,

etc.) y a su transporte en depósitos a baja presión, está disponible en cualquier lugar.

Por ello, puede utilizarse en zonas remotas, lo que contribuye fuertemente al desarrollo

local y regional.

Cuando se utiliza como energía limpia de reserva, también acelera el desarrollo de las

energías renovables intermitentes, como la fotovoltaica, la solar térmica, la eólica y la

mini hidráulica.

Como carburante para automoción, el GLP es uno de los principales alternativos,

después del petróleo y gas natural distribuido a través varios centros de expendio, es acá

donde se resalta la justificación de éste trabajo de investigación, en un campo de

utilización de estos dos tipos de energía, como es su uso en la caldera pirotubular de 40

BHP que existe en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Máquinas Térmicas.

2.1. OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN

Por el tipo de investigación, su beneficio podrá ser tomado en cuenta por cualquier

Organización que velan por la salud de las personas y de los animales,

indudablemente podrá ser aplicado en nuestra Universidad para preservar la salud

de los que asistimos diariamente a ella.

2.1.1.Objetivo general:

Realizar un análisis comparativo de la eficiencia y de los gases de escape que

emanan la caldera pirotubular de 40 BHP usando combustible diesel y GLP y

sus consecuencias de estos sobre el medio ambiente.

2.1.2.Objetivos específicos:

Identificar los componentes de los gases de escape de una calderautilizando dos tipos de combustible.

Elaborar un cuadro comparativo de los componentes de los gases deescape con diferentes tipos de combustible.

Comparar los porcentajes de los gases de escape con los valores máximospermisibles dictadas por Organismos Internacionales

Comparar la eficiencia de la caldera usando los dos tipos de combustible Proponer la sustitución del uso de un combustible menos contaminante en

la caldera que usa combustible contaminante, reduciendo así daños sobrelos seres vivos.

7

2.2. PROBLEMA

2.2.1.Problema general:

Los gases de escape que emanan de una caldera tiene compuestos nocivos para

los seres vivos, de acuerdo al tipo de combustible que se está usando, por eso

en el presente análisis se hará una comparación de estos con dos tipos de

combustible y su impacto sobre el medio ambiente.

¿Es posible realizar un estudio de los gases de escape de un equipo térmico

estacionario y ver su impacto sobre el medio ambiente, con consecuencias y/o

beneficios sobre los seres vivos en una ciudad poblada como es la Provincia

Constitucional del Callao y zonas aledañas?

2.2.2.Problemas específicos:

¿Se podrá identificar plenamente todos los gases contaminantes que

emanan las calderas usando dos tipos de combustible?

¿Podremos elaborar un cuadro comparativo de los gases de escape en

porcentaje volumétrico de dos tipos de combustible?

¿Se podrá comparar los componentes de los gases de escape de la

caldera con las Normas que rigen tanto a nivel nacional como

internacional?

¿Se podrá comparar los resultados de la eficiencia de la caldera y

analizar cual es mas ventajoso al usar los dos tipos de combustible?

¿Existe la posibilidad de reducir los componentes de los gases de escape

de una caldera utilizando un combustible menos dañino y que no afecten

mucho a los seres vivos?

2.3. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

Muchos problemas sobre la buena salud de los seres vivos es por el uso indebido de

los combustibles derivados del petróleo pero que su uso está sustentado por el costo

tan bajo que se encuentra en el mercado, pero éstos ocasionan muchos

componentes en sus gases de escape que se encuentran fuera de lo límites máximos

permisibles, muy dañinos que ocasionan inclusive enfermedades tan peligrosas

como el cáncer.

La combustión de carbón, petróleo y gasolina es el origen de buena parte de los

8

contaminantes atmosféricos. Más de un 80% del dióxido de azufre, un 50% de los

óxidos de nitrógeno, y de un 30 a un 40% de las partículas en suspensión emitidos

a la atmósfera en Estados Unidos proceden de las centrales eléctricas que queman

combustibles fósiles, las calderas industriales y las calefacciones. Un 80% del

monóxido de carbono y un 40% de los óxidos de nitrógeno e hidrocarburos

emitidos proceden de la combustión de la gasolina y el gasóleo en los motores de

los coches y camiones. Otras importantes fuentes de contaminación son la

siderurgia y las acerías, las fundiciones de cinc, plomo y cobre, las incineradoras

municipales, las refinerías de petróleo, las fábricas de cemento y las fábricas de

ácido nítrico y sulfúrico.Las altas chimeneas de las industrias no reducen la

cantidad de contaminantes, simplemente los emiten a mayor altura, reduciendo así

su concentración in situ. Estos contaminantes pueden ser transportados a gran

distancia y producir sus efectos adversos en áreas muy alejadas de donde tuvo lugar

la emisión. El pH o acidez relativa de muchos lagos de agua dulce se ha visto

alterado hasta tal punto que han quedado destruidas poblaciones enteras de peces.

El creciente consumo de carbón y petróleo desde finales de la década de 1940 ha

llevado a concentraciones cada vez mayores de dióxido de carbono. El efecto

invernadero resultante, que permite la entrada de la energía solar, pero reduce la

reemisión de rayos infrarrojos al espacio exterior, genera una tendencia al

calentamiento que podría afectar al clima global y llevar al deshielo parcial de los

casquetes polares. Es concebible que un aumento de la cubierta nubosa o la

absorción del dióxido de carbono por los océanos pudieran poner freno al efecto

invernadero antes de que se llegara a la fase del deshielo polar. No obstante, los

informes publicados en la década de 1980 indican que el efecto invernadero es un

hecho y que las naciones del mundo deberían tomar medidas inmediatamente para

ponerle solución.

Es por eso que debemos afrontar con severidad sobre el uso de los combustibles

dañinos a la humanidad, utilizando unos menos contaminantes que permitan

prolongar y conservar nuestro ecosistema.

9

3. MARCO TEORICO

3.1. CALDERA

La caldera es un aparato térmico construido para generar vapor.

Aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía

se transforma en utilizable, en forma de energía térmica, a través de un medio

de transporte en fase líquida o vapor.(BARRETO)

La definición de caldera industrial señala que son dispositivos empleados para

calentar agua o generar vapor a una presión muy superior a la atmosférica.

(WEB)

Este vapor se genera a través de la transferencia de calor hacia el fluido,

originalmente en fase líquido, se calienta y finalmente se vaporiza; es un recipiente

de presión.

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la

caldera es muy utilizada en la industria, a fin de darle aplicaciones como:

Esterilización: era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales

generaban vapor para "esterilizar" los instrumentos médicos; también en

los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar

los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que

esta era una técnica de esterilización).

Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a

los petróleos pesados para mejorar su fluidez.

Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte

fundamental de las centrales termoeléctricas.

Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es

que el segundo genera vapor sobrecalentado.

10

3.2. CLASIFICACION DE CALDERAS

3.2.1. Clasificación de acuerdo a la circulación de los fluidos dentro de los

tubos de la caldera

A. Calderas de tubos de fuego o pirotubulares

En esta caldera la llama y los productos de la combustión pasan a través

de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de

tubos. Manejan presiones de operación de 0-20 bares (0-300 PSIG).

Fig

Nº 1 Caldera pirotubular de tres pasos.Fuente: (S.A., 2010)

11

Ventajas:

Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño. Mayor

flexibilidad de operación.

Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.

Son pequeñas y eficientes.

Desventajas:

Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.

No se deben usar para altas presiones.

Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de múltiples

pasos.

Calderas pirotubulares de un paso.

Calderas pirotubulares de múltiples pasos.

B. Calderas de agua o acuotubulares.-

En este tipo de unidad, los productos de la combustión rodean a los

bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan

presiones de operación de 0-150 bares (0-2200 PSIG).

Fig. Nº 2Caldera acuotubular

Fuente: (Thomasset, 2011)

11

Ventajas:





Desventajas:




pasos.









11

Ventajas:





Desventajas:




pasos.









12

Ventajas:

Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 PSI o

más.

Desventajas:

Mayor tamaño y peso.

Mayor costo.

Debe ser alimentada con agua de gran pureza.

3.2.2. Con relación a la configuración:

Vertical

Horizontal

3.2.3. Con relación del mecanismo de transmisión de calor dominante

Convección

Radiación

Radiación y Convección

3.2.4. Con relación del combustible empleado:

Combustibles sólidos (carbón mineral, carbón vegetal, lignito, etc.)

Combustibles líquidos (diesel, Petróleo Residual)

Combustibles gaseosos (GLP, GN)

Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.)

De recuperación de calor de gases

Mixtas

Nucleares

3.2.5. De acuerdo a la circulación del agua dentro de la caldera

Es una clasificación que tiene sentido en las calderas acuotubulares, en las

pirotubulares la circulación del agua en elinterior es siempre por convección

natural.

a) Circulación natural.

La circulación del agua y de la mezcla agua-vaporocurre naturalmente

debido a la diferencia de densidades entre elagua másfría y la mezcla de

agua- vapor (efecto sifón).

Implica entonces tener un circuito cerrado pordonde circula el agua y una

13

diferencia de altura apreciable entrelas partes altas y bajas del equipo.

Los generadores chicos, los de potencia medianay una buena parte de los

grandes generadores de vapor son decirculación natural.

Fig. Nº 3 Circulación natural

Fuente: (INGENIERA)

b) Circulación asistida.

En este caso la circulación natural en los tubos dela caldera es

complementada por bombas instaladas en el circuito.

En este caso también la caldera consiste en uncircuito cerrado, pero permite

construcciones más compactasincluso con tubos inclinados.

Se utiliza en aquellos casos en que la diferenciaentre las densidades del

fluido frío y del caliente no es demasiadogrande, típicamente para presiones

superiores a los 140-160bar.

Brindan una respuesta más rápida antevariaciones en la demanda de vapor

que los de circulación natural,pero las bombas trabajan con agua caliente y a

altas presiones,son más costosas y requieren importantes mantenimientos.

Engeneral se debe instalar un sistema de respaldo para evitar laparada de

toda la caldera por salida de servicio de la bomba.

14

c) Circulación forzada.

Este tipo de calderas tiene una concepcióndistinta, se trata de un circuito

abierto y no cerrado.

La bomba impulsa el agua a través de una primerasuperficie de intercambio

donde se precalienta, luego pasa a unsegundo intercambiador donde se

vaporiza y luego, en algunoscasos, pasa a un tercer intercambiador donde se

sobrecalienta.

A diferencia de las anteriores no hay una masa deagua circulando sin

vaporizarse, la bomba entrega toda el aguaque se vaporiza.

No hace falta resaltar la importancia de la bomba en estediseño, un paro de

la bomba implica un paro de la caldera.

Fig. Nº 4 - Circulación asistida

Fuente - (INGENIERA)

Fig. Nº 5 - Circulación forzadaFuente - (INGENIERA)

15

3.2.6. Por el tipo de tiro:

De tiro natural

De hogar presurizado

De hogar equilibrado

3.2.7. Por el modo de gobernar la operación:

De operación manual

Semiautomáticos

Automáticos

3.2.8. Por la aplicación o uso:

A) ESTACIONAMIENTO : Instalada en tierra (industria, plantas

Termoeléctricas).

B) MOVILES : Navíos, Locomotoras.

C) CALEFACCION : Residenciales o comerciales.

3.2.9. Por la presión de trabajo (Asme):

A) CALDERAS DE CALEFACCION DE BAJA PRESION.-

Calderas de vapor cuya presión no exceda 1.0Skg/cm2.

Calderas de agua caliente cuya presión no exceda 11.25kg/cm2.

Cuya temperatura no sobrepasen los 121°C.

B) CALDERAS DE BAJA Y MEDIA PRESION.

0 - 200 psi baja presión.

201 - 500 psi media presión.

C) CALDERAS DE ALTA PRESION Y SUPERCRÍTICA.

501 - 2000 psi alta presión (grandes industria).

2001- 3209 psi muy alta presión (centrales eléctricas).

Más de 3219 psi (calderas supe críticas).

3.2.10. Por la forma de los tubos:

A) CALDERAS DE TUBOS HORIZONTALES.

B) CALDERAS DE TUBOS VERTICALES.

C) CALDERAS DE TUBOS RECTOS.

D) CALDERAS DE TUBOS DOBLADOS.

E) CALDERAS DE TUBOS CURVOS (calderas tipo serpentín).

16

3.2.11. Con relación al tipo de fluido:

A) CALDERA DE VAPOR (medio de trasporte vapor de agua).

B) CALDERA DE AGUA CALIENTE (medio de transporte agua a

temperatura inferior a 110°C).

C) CALDERA DE AGUA SOBRECALENTADA (medio de transporte a

temperatura superiora 110°C).

D) CALDERA DE FLUIDO TÉRMICO (medio de transporte: aceite,

metales líquidos, dowtherm (C12H10,C12H10O) ).

3.2.12. Por el tipo de estructura:

A) CALDERA TIPO PAQUETE.-

Forman una unidad compacta con aparatos accesorios auto contenido,

son armados totalmente en la fábrica. La unidad está montada sobre un

armazón de acero estructural lista para su instalación.

B) CALDERA AUTOMATICA.-

Son aquellas que realizan su ciclo normal en funcionamiento sin precisar

de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial de servicio o en caso

de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación

calorífica.

3.3. COMBUSTION

Definimos la combustión como una reacción química rápida exotérmica en la que

se realiza la oxidación de una sustancia y la reducción de otra.

La combustión es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se

desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose

visualmente como fuego. (wikipedia).

La combustión es una reacción química en la que un elemento combustible se

combina con otro comburente (generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso),

desprendiendo calor y produciendo un óxido; la combustión es una reacción

exotérmica que produce: calor al quemar, luz al arder. (yahoo)

Para que se produzca la combustión es necesario que estén presentes tres elementos

fundamentales:

17

Comburente: es la sustancia que se reduce. El comburente más habitual es el

oxígeno contenido en el aire atmosférico.

Combustible: la sustancia que se oxida, es decir, el elemento que se quema.

Los más habituales son C, H, O y a veces, N y S.

Temperatura de ignición: debe ser lo suficientemente elevada como para

producir el encendido.

Las reacciones químicas deben satisfacer unas condiciones para que tengan lugar

en el proceso de combustión:

Adecuada proporción entre combustible y comburente.

La mezcla de las dos sustancias debe ser uniforme.

La temperatura de ignición se establecerá y será monitorizada de manera que el

combustible continúe su ignición sin calor externo cuando comience la

combustión.

Las tres funciones más importantes que tiene un hogar desde el punto de vista de la

combustión son:

a) Proveer el espacio necesario para acomodar la llama, sin que ésta toque los

tubos. De no evitar esto, se corre el riesgo de la extinción anticipada de los

extremos de la llama que entran en contacto con los tubos, ya que estos últimos

están a mucho menor temperatura que la llama. Este fenómeno se exterioriza

mediante la emisión de humos, producto de una combustión incompleta.

b) Mantener la temperatura de la llama y de los gases lo más alta posible durante el

tiempo necesario con la finalidad de que la combustión se complete sin humos ó

cenizas.

c) Proveer un recinto hermético que evite las fugas de gases o entrada de aire ajeno

a la combustión.

3.3.1. Exceso de aire

El exceso de aire se debe a que el tamaño de las partículas del combustible

impide una mezcla perfecta entre el combustible y el comburente y a que el

tiempo que permanece la mezcla dentro del hogar es muy corto, saliendo por

la chimenea una parte de aire que no ha reaccionado. Al introducir mayor

comburente, aparecen reacciones secundarias. Esto obliga a emplear una

18

cantidad real de aire comburente mayor del aire mínimo de combustión; por

tanto, el exceso de aire es la diferencia entre el aire realmente introducido y

el aire mínimo calculado.

Se queman las sustancias combustibles del combustible, hasta el máximo

grado de oxidación, esto quiere decir que no tendremos sustancias

combustibles en los humos.

Un punto crítico la posible formación de ácido sulfúrico generado por el

azufre que contienen los combustibles provoca corrosiones en los conductos

y chimeneas cuando se condensa por debajo de 150ºC; si se producen estos

ácidos, tendremos que evacuar los humos a temperaturas superiores por la

chimenea, con lo que se producen pérdidas de calor importantes (Pérdidas

por el calor sensible de los humos).

3.3.2. Rendimiento de la combustión

El rendimiento de combustión es la relación entre la fracción de energía

realmente liberada en el proceso, y el total teórico disponible, que da una

idea del grado de aprovechamiento del combustible, para las condiciones de

trabajo dadas.

El factor que tiende a disminuir dicho rendimiento es el escaso tiempo

disponible para el proceso, para controlar ese factor se debe aumentar el

tiempo o “estadía” de los gases en el hogar, para lo cual se puede aumentar

el recorrido de los gases aumentando las dimensiones, o bien, aumentar

dicho recorrido sin aumentar las dimensiones físicas del hogar, pero

modificando la circulación en forma de flujo helicoidal (hogares ciclónicos).

El hogar de una unidad convencional de carbón pulverizado (relativamente

grande), facilita un tiempo de residencia suficiente para que el O2 pueda

penetrar en los productos de combustión que se mantienen alrededor de las

partículas de carbón y para refrigerar la ceniza a fin de evitar el

ensuciamiento del paso de convección. De esta forma se pueden utilizar

combustibles residuales sin riesgo de emisiones peligrosas ni problemas

operativos.

Los diferentes tipos de combustibles implican diferentes porcentajes de

19

exceso de aire para el funcionamiento satisfactorio.

El tipo de combustible no solamente determina la configuración física de los

quemadores y el hogar, sino que también determina el flujo de aire

requerido, como por ejemplo:

Carbón y combustibles sólidos en general: 20 a 30% de exceso de

aire

Combustibles líquidos: 15%

Combustibles gaseosos: 10 a 15%

3.3.3. Control de la combustión:

Para el control de la combustión es necesaria regular la entrada de

combustible para mantener un suministro continuo de vapor a una presión

constante, y de regular la entrada de aire a la caldera en proporción correcta

a la entrada de combustible.

Actualmente comienza a haber importantes cambios económicos y de las

condiciones de funcionamiento de la industria. Por lo tanto, es rentable

introducir sistemas de control de tecnología avanzada para:

Mantener una presión del vapor constante y un caudal acorde con las

variaciones de la carga.

Optimizar el consumo de combustible a través de un aumento en el

rendimiento.

Reducir las emisiones contaminantes.

3.3.4. Métodos de control de la combustión

3.3.4.1. Control mecánico:

La variable primaria a controlar es la presión de vapor, la cual es

medida por un presostato modulante.

Hay una señal que posiciona eléctricamente un motor que acciona

directamente la válvula de fuel oil. El motor acciona a la vez una leva

mecánica que mueve el corta tiros de regulación del aire comburente.

Esta leva esta diseñada para mantener constante la relación aire-

combustible a las diferentes marchas de la caldera.

20

3.3.4.2. Control neumático directo:

La variable a controlar es la presión del vapor y el sistema mecánico

anterior se ha sido sustituido por un sistema neumático.

Tanto este sistema como el anterior funcionan teniendo en cuenta

unas condiciones de combustión impuestas, es decir, de una relación

aire/combustible prefijadas de antemano.

No todo son ventajas, en nuestra contra aparecen desequilibrios en la

combustión prefijada, produciéndose oscuridad de humos e

inquemados.

3.3.4.3. Control de medida en serie:

La presión de vapor actúa posicionando la válvula de entrada del

combustible. El caudal de combustible medido posiciona el cortatiros

de regulación del aire comburente a través de una estación manual de

relación aire-combustible. Podemos mejorar el sistema introduciendo

las medidas de caudal de combustible y aire comburente, que actúan

como amortiguamiento del sistema. Al principio actúa sobre el

combustible, lo que implica una existencia de un desfase en

determinados momentos o prolongados que significa un mayor

consumo no justificado.

3.3.4.4. Control de medida en paralelo:

El aire y el combustible responden simultáneamente a las variaciones

de la carga, en vez de responder primero uno de ellos y luego el otro,

por tanto, se reducen los periodos transitorios.

3.3.4.5. Control de medida en paralelo con límites cruzados:

Con este sistema se consigue que siempre se disponga de aire en

exceso para la combustión ya que:

Cuando aumenta la carga, aumenta primero el caudal de aire y

luego el caudal de combustible.

Cuando disminuye la carga, se reduce primero el combustible

y después el aire.

21

3.3.5. Analisis de los combustibles

3.3.5.1. Análisis gravimétrico o elemental. Es el que especifica el

porcentajeenmasa de los elementos químicos del combustible.

3.3.5.2. Análisis Volumétrico. Es el que especifica los porcentajes en

volumen o en moles de los compuestos que integran el combustible.

3.3.6. Procesos de combustion:

Ecuación de Reacción. Es la expresión cuantitativa de las sustancias que

intervienen en una reacción: C + O2 = CO2

Fig. 6Grafico de Procesos de combustión

Fuente – El Autor

Reactivos. Son sustancias que ingresan a la combustión: el combustible

y el comburente.

Productos. Son sustancias que resultan del proceso de combustión

Combustión completa. Es la combustión en cuyos productos no se

encuentra el monóxido de carbono, por ejemplo el C se oxida

completamente formandoCO2; el H hasta H2O.

CXHy + A ( O2 + 3,76N2) bCO2 + dH2O + N2

Combustión ideal o teórica. Es aquella combustión completa en la que

el oxigeno suministrado es el 'mínimo indispensable.

Combustión incompleta. En los productos de la combustión se

encuentran el CO. El C reacciona formando CO y CO2 en proporciones

desconocidas, que dependen de la cantidad de O2 utilizado y del

22

procedimiento empleado para mezclar el combustible con el aire.

Aire estequiometrico o aire teórico (at ). Es la cantidad de aire que

proporciona el oxigeno estrictamente necesario para la combustión

completa de los elementos oxidables del combustible.

Mezcla estequiometrica. Es aquella que contiene las proporciones de

aire y combustible mínimos necesarios para la combustión completa.

Relación aire-combustible. Es el cociente entre la masa del aire y la

masa del combustible utilizado en la combustión, Ra/c.

El aire estequiometrico. El aire tiene por composición volumétrica

promedio de 78% de nitrógeno, 21% de oxigeno y 1% de otros gases, en

la practica se considera 79% de nitrógeno y 21% de oxigeno. En la

composición gravimétrica del aire se considera en la practica 770/ c e

nitrógeno y 23% de oxigeno.

Combustión ideal con aire. Se considera que el hidrogeno se oxide

hasta formar H2O y el C hasta CO2; el S hasta SO2 o SO3

Combustión real. La combustión real siempre resulta incompleta ya sea

utilizando aire teórico o en exceso y/o defecto, en los productos

aparecerá CO, CO2:

CXHy+A(O2+3.76N2)=bCO2+dCO+eH2O+fN2+gO2

Los coeficientes alfanuméricos que aparecen en la ecuación su valor se

calcula haciendo el balance respectivo, puede o no salir exceso de oxigeno,

dependiendo del aire que ingresa a la cámara de combustión, ya sea en un

proceso isobárico o volumétrico, para la caldera en estudio sobre los gases

que arrojan a la atmosfera ambiental son el gas licuado de petróleo y el

diesel N°2, en donde haremos el balance de combustión mediante el método

volumétrico. Posteriormente haremos las pruebas reales en la caldera y

analizar sus gases de escape y obtener resultados que permitan analizar con

más detalle y ver el exceso de aire y /o defecto.

Para realizar un balance energético de una caldera de vapor es necesario

tomar valores reales de los principales parámetros de la misma cuando está

funcionando con los dos tipos de combustible. Para esto es necesario utilizar

23

la metodología recomendada por las (350.300, 2002)que dice:

"Procedimiento para la determinación de la Eficiencia Térmica de calderas

Industriales", presenta dos métodos: método directo y el indirecto.

El método directo involucra el ingreso y la utilización de calor de modo que

la eficiencia térmica se calcula mediante: η = ( Qa /Qc ) x 100

El método indirecto involucra el ingreso y la pérdida de calor, de modo que

la eficiencia térmica se calcula por: η = (1 — Qp/ Qc) x 100

El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores de

combustiónabsorbido y perdido respectivamente.

El calor absorbido por el fluido de trabajo. Qa = mW (hs— he)

El calor perdido es igual a la suma del calor residual contenido en los gases

de combustión y el calor que se transfiere al ambiente a través de lasparedes

de la caldera.

El método indirecto que es el mas confiable es el que utilizaremos para

realizar el análisis energético de la caldera utilizando los dos tipos de

combustibles ya mencionados con los que trabaja la caldera del laboratorio

de la Facultad.

3.4. COMBUSTIBLES

Combustible es toda sustancia capaz de arder, es decir, aquella capaz de

combinarse con el oxígeno en una reacción exotérmica.

Las características más importantes de los combustibles son:

Poder Calorífico: Es la energía por unidad de masa del combustible

que se libera en una combustión completa y perfecta.

El poder calorífico es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia

puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. (wikipedia)

Poder Calorífico Superior (PCS): Tiene en cuenta el calor latente de

vaporización del agua generada en la combustión.

Poder Calorífico Inferior (PCI): No tiene en cuenta el calor latente de

vaporización del agua formada en la combustión.

Poder Comburívoro: Es la masa de aire necesaria para realizar la

24

combustión estequiométrica de 1 Kg. de combustible.

Poder Comburívero es la cantidad estequiométrica de aire seco necesario para

la combustión completa de una unidad de masa o volumen de combustible,

referida a las condiciones normalizadas, medido en Nm³/kg o Nm³/Nm³, según

se trate de combustible líquido o sólido o bien gaseoso, respectivamente.

(UTU)

Poder Fumígero : Es la masa de humos secos producidos en la

combustión de 1 Kg. de combustible.

Poder Fumígero: es la cantidad de gases resultante de la combustión con aire

estequiométrico de una unidad de masa o volumen de combustible, referida a

las condiciones normalizadas, medido en Nm³/kg o Nm³/Nm³, según se trate de

combustible líquido o sólido o bien gaseoso, respectivamente. (UTU)

Límites de Inflamabilidad (Inferior / Superior) (Li / Ls): Es el valor

mínimo /máximo del porcentaje de combustible que debe estar presente

en la mezcla para que se produzca la combustión.

Temperatura de combustión: Es la temperatura, superior a la de inflamación,

a la que se produce la combustión de los vapores de un combustible durante 5

o más segundos cuando se pone en contacto con una llama.

3.4.1. TIPOS DE COMBUSTIBLES

Los distintos tipos de combustibles se clasifican en el siguiente cuadro:

25

TABLA Nº 1

Fuente –(MAVAINSA)

26

3.4.1.1. Combustibles Solidos

Dentro de este tipo de combustibles se tienen:

Madera: es el combustible mas antiguo y mas tradicional, si bien es

económico no presenta gran interés en la industria por no tener un elevado

poder calorífico.

Carbón Natural: Combustible fósil sólido, formado a partir de antiguas

plantas que crecieron en pantanos o a lo largo de las costas. Los tipos de

carbón natural con sus características más sobresalientes son:

1. Turbas: Contenido en Carbono: 50-60 %; Humedad: 70-80 %; PCI = 750

Kcal/Kg

2. Lignitos: Contenido en Carbono: 65-75 %; Humedad: 50-70 %; PCI =

3500 Kcal/Kg

3. Hullas: Contenido en Carbono: 75-85 %; Humedad: 5-15 %; PCI = 8500

Kcal/Kg

4. Antracita: Contenido de Carbono: > 90 %; Humedad:< 3 %; PCI = 8000

Kcal/Kg

Fig. 7Carbon natural

Fuente -(MAVAINSA)

27

El contenido de humedad es igual a la masa de agua evaporada dividida

por la masa de la muestra.

El contenido de humedad de una muestra de combustible produce una

pérdida de poder calorífico del mismo.

La Antracita, si bien no es el carbón de mayor poder calorífico, es el

mejor combustible de los carbones por su alta composición en Carbono y

escaso porcentaje de humedad.

Carbón Vegetal: La madera es un compuesto formado por Oxígeno,

Hidrógeno, Carbono y Nitrógeno. Estos elementos se transforman en

otros compuestos a través de la combustión. Si se quemara la madera al

aire libre, se logra que ésta se consuma por completo; en cambio si la

misma se quemara en espacios cerrados que sólo dispongan unas

pequeñas aberturas para el paso del aire, se logrará que las sustancias que

necesitan menos cantidad de oxígeno ardan antes que las otras. De esta

forma, una vez que se detenga la combustión de manera adecuada, se

podrá recoger las sustancias de la madera que no han entrado en

combustión, las cuales forman lo que se denomina Carbón Vegetal. Por

lo expuesto, se entiende que el carbón vegetal no es más que leña que ha

sufrido una combustión incompleta. Posee un calor específico inferior

del orden de 6500 Kcal/Kg.

3.4.1.2. Combustibles Líquidos

Dentro de este tipo de combustibles, los más utilizados en la industria son

aquellos derivados del petróleo. Del petróleo se obtienen los siguientes

hidrocarburos, usados en la industria:

Gasoil: Pertenecen a esta categoría de destilados puros, compuestos por

una gama de hidrocarburos cuyo número de átomos de Carbono está

comprendido entre 14 y 20. Su temperatura de ebullición oscila entre

220-390º C. Su punto de inflamación es 55º C, posee un poder calorífico

inferior igual a 10200 Kcal/Kg.

Fuel Oil: Son los residuos pesados de la destilación del petróleo y forma

hidrocarburos entre 25 y 35 átomos de Carbono. Su punto de inflamación

28

es 65º C, posee un poder calorífico inferior igual a 9800 Kcal/Kg.

Las propiedades más importantes de los combustibles líquidos son:

1. Viscosidad: Resistencia de un fluido a fluir (Sirve para determinar la

pérdida de carga y las condiciones de pulverización).

2. Fluidez Crítica: Temperatura a la cual el fluido deja de fluir.

3. Inflamabilidad: El Punto de Llama es la temperatura a la cual el

combustible produce suficiente cantidad de vapores para que la mezcla

de éstos con el aire sea capaz de inflamarse al contacto con una llama

piloto. Si la combustión se produce en forma espontánea, sin llama

piloto, la temperatura a la cual se produjo se denomina Punto de

Inflamación del combustible. Por esta razón, no debe almacenarse un

combustible a temperaturas superiores a su Punto de Inflamación.

4. Contenido de Azufre: En una combustión, el Azufre genera Dióxido de

Azufre en combinación con el Oxígeno del aire. Si el tiro no funciona

correctamente puede condensar el vapor de agua generado en la

combustión y éste en combinación con el Dióxido de Azufre dan como

resultado Acido Sulfúrico (Agente corrosivo para la instalación).

5. Contenido de Agua: El contenido de Agua en un combustible disminuye

su poder calorífico; razón por la cual la misma debe eliminarse o bien

minimizarse.

3.4.1.3. Combustibles Gaseosos

Dentro de este tipo de combustibles, los más usados industrialmente son:

Gas Natural: Mezcla de hidrocarburos ligeros, formado principalmente

por metano. Posee gran rendimiento, es de fácil manejo, su poder

calorífico superior es igual a 9300 Kcal/m3.

Gas Licuado de Petróleo (GLP): Compuesto por butano y propano. Se

obtiene en las operaciones de refino del petróleo. Se licua a baja

temperatura y alta presión para almacenarlos (Ocupan un volumen

reducido en estado líquido, aumentando el mismo aproximadamente 300

veces a temperatura ambiente y presión atmosférica). Su poder calorífico

inferior es igual a 10950 Kcal/Kg.

29

Las propiedades más importantes de los combustibles gaseosos son:

1. Densidad Relativa (ρr) : Con respecto al aire seco a 0º C y 1 atmósfera de

presión.

2. Intercambiabilidad de los gases combustibles: Dos gases que están a la

misma temperatura son intercambiables entre sí en un mismo quemador

cuando, con las mismas condiciones de suministro, mantienen las mismas

características de combustión (Dan llamas idénticas sin cambiar la

regulación y geometría de los quemadores). Para determinar la

intercambiabilidad se utiliza el Indice de Wobbe:= ….. Ec3.1

3. Módulo de un gas: Dos gases de Indice de Wobbe(PERUANAS,

2006)diferente son intercambiables entre sí, cuando al suministrarlos

presiones diferentes, tienen el mismo módulo y producen el mismo

caudal calorífico. El Módulo de un gas es:= ….. Ec 3.2

3.4.2. Criterios para la elección de un combustible

Los criterios a tener en cuenta para la elección del combustible a utilizar en

la caldera son:

La ubicación geográfica de la industria.

Las posibilidades de aprovisionamiento.

El precio del combustible.

Problemas ambientales derivados de su uso.

3.4.2.1. Importancia de la elección de un buen combustible en las

calderas

Los combustibles están caracterizados por su poder calorífico,

grado de humedad y los porcentajes de materias volátiles y de

cenizas.

Estos datos son de gran utilidad para determinar las condiciones

prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar

el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas.

30

El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes

elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos

elementos se pueden clasificar en dos grandes categorías:

Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el

comburente, cediendo calor: carbono, hidrógeno, azufre,

etcétera.

Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y

que pasarán cono tales a los residuos de la combustión: agua,

nitrógeno, cenizas, etc.

4. MATERIALES Y METODOS

4.1. MATERIALES

Fig. 8 - CALDERO PIROTUBULAR 3 PASOS

SERIE 040-98

POTENCIA40BHP

SUPERFICIE CALEFACCION 200pie2

Fuente – Caldera de la FIME

31

Fig. 10

BACHARAT (Equipo digital utilizado para el análisis de gases de combustión )


Fig. 11

CICLÓMETRO (Instrumento para medir las temperaturas de Bulbo seco y de bulbo húmedo)


Fig. 12

Contador digital para medir la cantidad de masa que atraviesan las tuberías.


32

Fig. 13

Tanque de condensado (recuperación de condensados)


También cuenta con los siguientes equipos:

Regulador de presión Display

Bomba de agua Tanque hidroneumático

Ablandador Tanque de combustible

Colector de vapor Accesorios de la instalación

Calentador de agua Quemador (llama baja, llama alta)

4.1.1. Condiciones del equipo

Las condiciones que debe cumplir el equipo para realizar la prueba de

eficiencia, son las siguientes:

a) La caldera a probar no debe estar afectada por otros equipos.

b) Durante la prueba no se deben de realizar purgas.

c) Durante la prueba no se debe de realizar soplado de hollín.

d) No debe de haber fugas de gases de combustión ni infiltraciones de aire.

e) El monóxido de carbono en los gases de combustión no debe ser mayor

de 200 cm3/m3 (ppm).

f) La temperatura del agua a la entrada de la caldera deberá permanecer

constante, con una variación de 2°C.

33

4.1.1.1. Calderas de vapor:

a) La caldera debe probarse a su máxima capacidad, variación

máxima de 15%.

b) La presión de prueba de la caldera debe ser la presión normal de

operación y permanecer constante (Variación máxima de 7%).

4.1.1.2. Calderas de agua caliente:

a) La caldera debe probarse a su máxima capacidad, la variación del

flujo no debe exceder del 10%.

b) La temperatura del agua a la salida de la caldera deberá

permanecer constante, con una variación de 2°C.

4.1.2. Variables a medir

Combustible: Flujo, presión y temperatura en caso de combustible

liquido y gaseoso.

Caldera de vapor: Presión del vapor generado, temperatura del vapor,

temperatura de los gases de escape, temperatura de las superficies

exteriores en el lado del agua y el de fuego, índice de bacharah y

composición de los gases de escape con el equipo bacharah, flujo y

temperatura de agua de alimentación, flujo de vapor producido.

Sala de caldera: temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo, presión

barométrica, velocidad del viento cercano a la caldera.

Las variables a medir son:

34

Tg temperatura de gases de combustión a la salida del equipo, °C

[O2] Concentración de oxigeno en gases de combustión(base seca).

[CO]concentración de monóxido de carbono en gasesde combustión (base

seca), °C

Tsftemperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre al fluido

de trabajo, °C

Tsgtemperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre a los

gases de combustión, °C

B Índice de Bacharach.

Ta temperatura del aire ambiente alrededor de la caldera, °C

V velocidad del viento, m/s

TABLA Nº 2 - Lista de símbolos utilizados en la NTP

FUENTE - NTP 350.300 – 2002–Pg. 9 de 28

4.2. METODOS

4.2.1. Método de prueba

Determinación de la eficiencia térmica a partir del balance de energía de una

caldera es posible calcular la eficiencia térmica de dos maneras:

a) Método Directo

b) Método Indirecto

El Método Directo involucra el ingreso y la utilización de calor, de modo

que la eficiencia térmica se calcula mediante:η = ̇ ̇ x 100………… Ec. 4.1

El Método Indirecto involucra el ingreso y la pérdida de calor, de modo que

la eficiencia térmica se calcula mediante:η = 1 − ̇ ̇ x 100………… Ec. 4.2

35

El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores de

combustión, absorbido y perdido, respectivamente.

4.2.2. Hojas de datos

Se muestra el cuadro promedio de los datos obtenidos en cada una de las

pruebas realizadas, en donde se obtuvieron cinco muestras

Tsf 43.92 ºC

Tsg 92.31 ºC

B 3

Ta 20.75 ºC

V 0.31 m/s

TABLA Nº 3 – Datos obtenidos

FUENTE – El Autor

NOTA: El Índice del bacharch no lee compuestos de azufre y otros gases

5. RESULTADOS

En los años de experiencia como docente- investigador que tengo en el campo de la

energía he podido deducir y concluir sobre lo perjudicial que son los gases que emanan

no solo las calderas sino también las maquinas de combustión interna, dañando nuestro

ecosistema, que cada día se ve mas vulnerable por la falta de cumplimento de las

normas y leyes dictadas por los gobiernos de turno en los países sobre todo sub

desarrollados industrialmente. A continuación se muestra el cuadro comparativo de

resultados de la determinación de la eficiencia de combustión de la caldera pirotubular

de 40BHP del laboratorio de mecánica de fluidos y maquinas térmicas, materia de

análisis del presente proyecto de investigación.

36

5.1. CUADRO COMPARATIVO DE LA EFICIENCIA DE LA CALDERA

COMBUSTIBLE DIESEL2

%

COMBUSTIBLE

GLP %

Perdida por entalpia de los

gases de escape, P1

P1 = 9.2568 P1 =5.6195

Perdida entalpica del vapor

de agua en los gases, P2

P2 = 0.2031 P2 = 0.2856

Perdidas por inquemados

gaseosos, p3

P3 = 0.0110 P3 = 8.7272 x10-6

Perdida por inquemados

sólidos, P4

P4 = 1.354 P4 =1.354

Perdida por convección, P5 P5 = 2.4854 P5 =2.4854

Perdida por radiación, P6 P6 = 2.8635 P6 = 2.8635

Eficiencia por el método

sugerido por las Normas

Técnicas Peruanasη = 83.8262 η = 87.3919

Fuente – El Autor

5.2 DIAGRAMA DE SANKEY PARA CADA COMBUSTIBLE

37

GRAFICO Nª1 PERDIDAS PORCENTUALES DIESEL

FUENTE – EL AUTOR

38

GRAFICO Nª2 PERDIDAS PORCENTUALES GRAFICO GLP

FUENTE – EL AUTOR

39

5.3 DIAGRAMA DE PERDIDAS DE ENERGIA TERMICA PORCENTUAL


FUENTE – EL AUTOR

0,2031

0,011

1,354

2,4854

2,8635

39



FUENTE – EL AUTOR

9,2568

DIESEL 2

Perdida por entalpia de los gases deescape, P1

Perdida entalpica del vapor de agua enlos gases, P2

Perdidas por inquemadosgaseosos, p3

Perdida por inquemados sólidos, P4

Perdida por convección, P5

Perdida por radiación, P6

39



FUENTE – EL AUTOR


Perdida entalpica del vapor de agua enlos gases, P2





40


FUENTE – EL AUTOR

0,00000872

1,354

2,4854

2,8635

40


FUENTE – EL AUTOR

5,6195

0,28560,00000872

1,354

GLP


Perdida entalpica del vapor de aguaen los gases, P2





40


FUENTE – EL AUTOR


Perdida entalpica del vapor de aguaen los gases, P2





41

6. DISCUSIÓN

Una vez que se realiza el balance energético de una caldera de vapor y tomado los

valores reales de los principales parámetros de la misma cuando esta funcionando con

los dos tipos de combustible y estos se tabulan utilizando la metodología recomendada

por las (350.300, 2002)que dice: "Procedimiento para la determinación de la Eficiencia

Térmica de calderas Industriales", presenta dos métodos: método directo y el indirecto.

El método directo involucra el ingreso y la utilización de calor de modo que la

eficiencia térmica se calcula mediante:

η = ( Qa/Qc ) x 100 ……. Ec. 6.1

El método indirecto involucra el ingreso y la perdida de calor, de modo que la eficiencia

térmica se calcula por:

r = (1 — Qp/ Qc ) x 100……. Ec. 6.2

El ingreso, utilización y pérdida de calor corresponden a los calores (le combustión

absorbido y perdido respectivamente.

El calor absorbido por el fluido de trabajo.

Qa = mw (hs— he) ……. Ec. 6.3

A continuación detallamos el impacto de los gases de escape de la caldera sobre el

medio ambiente y sobre todo lo que ocasiona sobre la salud de los seres vivos.

6.1. VALORIZACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL

Se consideran los siguientes casos particulares más importantes:

6.1.1. Impacto Ambiental

Es el conjunto de efectos positivos y negativos que una actividad económica,

en marcha o proyectada, ejerce sobre el nivel de vida y el ambiente físico de

su zona de influencia. El concepto de impacto ambiental y la evaluación del

42

mismo consideran que el crecimiento económico real y a largo plazo debe

estar sustentado con un plan de protección ambiental. Por lo general, la

evaluación del impacto ambiental es un estudio formal que origina

decisiones en el nivel gerencial dentro del proceso de planificación de

grandes proyectos dedicados al uso intensivo de mano de obra local,

recuperación y protección de los recursos naturales o de minimización de

desechos en general.

La valoración y evaluación del impacto ambiental resulta de un diagnóstico

de la presión que ejercen las diferentes industrias sobre el medio ambiente,

específicamente en nuestro caso aquellas que requieren para sus procesos la

utilización de energía térmica, y para esto son evaluados los aspectos

relacionados con generación de emisiones, vertimientos y residuos sólidos,

así como las consecuencias del proceso sobre la salud humana, con el objeto

de promover la toma de decisiones en el nivel gerencial, público y privado, a

favor del uso racional de los recursos naturales, el mejoramiento de la

eficiencia del proceso de combustión y la minimización de los efectos sobre

la población afectada

Los principales aspectos e impactos ambientales asociados al proceso de

combustión se pueden resumir en los siguientes puntos:

6.1.2. Contaminación atmosférica

Ocasionada por la emisión de gases y partículas, entre las que se cuentan

monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de azufre, óxidos de

nitrógeno, hidrocarburos, material particulado, humos, metales pesados y la

formación de agentes oxidantes como el ozono, al igual que ácidos como

nítrico y sulfúrico. La emisión de las sustancias anteriormente mencionadas

es causante de los impactos ambientales smog fotoquímico, lluvia ácida y

calentamiento global, principalmente.

El smog fotoquímico se refiere a la formación de constituyentes oxidantes en

la atmósfera, como el ozono, debido a la reacción fotoinducida de los

hidrocarburos o compuestos orgánicos volátiles COV, y óxidos de nitrógeno.

La lluvia ácida se refiere a las reacciones atmosféricas que pueden ocasionar

43

una precipitación con un valor de pH menor que el de las precipitaciones

normales.

Los agentes causantes de la formación de lluvia ácida están asociados con la

emisión de dióxido de azufre y posiblemente con la emisión de óxidos de

nitrógeno, junto con ácido clorhídrico gaseoso. La influencia de la

contaminación 'del aire sobre los balances térmicos de la atmósfera y sobre

la absorción y reflexión de la radiación solar incidente se constituye en un

aspecto ambiental relevante. Debido al aumento del nivel de dióxido de

carbono y otros compuestos carbonados en la atmósfera, la superficie de la

tierra ha comenzado a mostrar mayores temperaturas, ocasionando el cambio

climático de los ecosistemas a nivel mundial.

CombustibleUnidad

(un)

Partículas

KgíUn

SO2

Kg/Un

NO,,

Kg/Un

Hidrocarburos

Kg/Un

CO

Kg/Un

Carbón

bituminosoTon 6.5 19 7,5 0,5 1

Fuel oil Ton 2.87 19 7,5 0,37 0,52

Petróleo M 0,21 0,01 1,43 0,036 0,19

Gas natural 1000 m 0,29 6,6 3 0,048 0,27

Gas licuado Ton 0,38 0,02 2,6 0,065 0,35

kerosene Ton 3 17 2,3 0,4 0,25

TABLA N°4.- Emisiones asociadas a la combustión de algunos combustibles.

Fuente: HOUGEN: principios de los procesos químicos - ANÁLISIS

AMBIENTAL PROCESO DE COMBUSTIÓN Marzo 2004 – Pg. 25

Por otro lado, si se tiene en cuenta que el proceso de combustión maneja

altos requerimientos de oxígeno y que la fuente de suministro utilizada en la

mayoría de los casos corresponde a aire atmosférico, debe garantizarse

suministro continuo y adecuado del mismo, el cual se logra mediante la

utilización de un ventilador generalmente, el cual puede llegar a ocasionar

altos niveles de ruido si no es operado adecuadamente y se garantiza el

mantenimiento preventivo del mismo.

44

6.1.3. Contaminación hídrica

La contaminación hídrica relacionada con el proceso de combustión, se

encuentra asociada a la utilización del recurso agua en procesos de

enfriamiento y limpieza de equipos principalmente. La carga contaminante

del vertimiento en estos casos se encuentra relacionada con la presencia de

fosfatos, los cuales se emplean para evitar la corrosión y la formación de

costras en tuberías.

El lavado de carbón de forma inadecuada, cuando ésta es la fuente de

combustible utilizada, así como un inadecuado almacenamiento del mismo,

causa contaminación de los cuerpos de agua superficial por arrastre de

sustancias a los mismos.

La lluvia ácida, provocada por las emisiones gaseosas, causa una alteración

grave sobre los cuerpos de agua superficial, y de esta forma se ven alterados

los ecosistemas.

6.1.4. Residuos Sólidos

El empleo de combustibles de tipo sólido trae como consecuencia la

generación de cenizas e inquemados, los cuales se constituyen en residuos

sólidos de carácter básico. De otro lado en las operaciones de limpieza en los

equipos de combustión, así como en la manipulación de los combustibles,

pueden tenerse residuos sólidos de carácter especial, representados

principalmente en trapos y estopa impregnados de combustible.

6.2. VALORIZACIÓN SOBRE LA SALUD DE LOS SERES VIVOS

Algunos de los principales contaminantes atmosféricos son substancias que se

encuentran de forma natural en la atmósfera. Los consideramos contaminantes

cuando sus concentraciones son notablemente más elevadas que en la situación

normal. Así se observa en la siguiente tabla en la que se comparan los niveles de

concentración entre aire limpio y aire contaminado.

45

COMPONENTE %VOLUMEN % PESO

NITRÓGENO 78,03 75,58

OXÍGENO 20,99 23,08

ARGÓN 0,94 1,28

DIÓXIDO DE CARBONO 0,035 0,053

NEÓN 0,0024 0,0017

OTROS GASES INERTES 0,0024 0,0017

HIDRÓGENO 0,00005 0,000004

TABLA Nº5 - Composición natural del aire.

Fuente: Diversos Tratados generales de Química.

Componentes Airelimpio Airecontaminado

SO2 0.001−0.01 ppm 0.02−2 ppm

CO2 310−330 ppm 350−700 ppm

CO <1 ppm 5−200 ppm

NOx 0.001−0.01 ppm 0.01−0.5 ppm

Hidrocarburos 1 ppm 1−20 ppm

Partículas 10−20 ð g/m3 70−700 ð g/m3

TABLA Nº5.A - Composición natural del aire.

Fuente: Diversos Tratados generales de Química.

6.2.1. Óxidos de carbono

La presencia en la atmósfera se manifiesta sobre todo en forma de dióxido de

carbono (CO2) en un fracción correspondiente a 315ppm, así como

monóxido de carbono (CO) en aire, para q este fuera considerado como no

contaminante su proporción debería ser < 1ppm de CO.

46

6.2.1.1. Monóxido de carbono

Es un gas sin color, olor ni sabor. Es un contaminante primario.

Es tóxico porque envenena la sangre impidiendo el transporte de

oxígeno. Se combina fuertemente con lahemoglobina de la sangre y

reduce drásticamente la capacidad de la sangre de transportar

oxígeno. Esresponsable de la muerte de muchas personas en minas de

carbón, incendios y lugares cerrados (garajes, habitaciones con

braseros, etc.)

% HbCO EFECTOS DEL CO EN LA SALUD

<1 Ningunoaparente.

1-2 Alteraciones en la conducta.

2-5

Efectos en el Sistema Nervioso Central:

incapacidad para determinar intervalos de tiempo.

fallos en la agudeza visual.

fallos en la discriminación de la brillantez.

>5 Cambios funcionales cardíacos y pulmonares.

10-80 Dolores de cabeza, fatiga, somnolencia, coma, fallo respiratorio y muerte.

TABLA Nº 6- Efectos tóxicos de la carboxihemoglobina para el hombre.

Fuente: OMS.

6.2.1.2. Dióxido de carbono

El dióxido de carbono es esencial para la respiración interna en el

cuerpo humano. La respiración interna es un proceso por el cual el

oxígeno es transportado a los tejidos corporales y el dióxido de

carbono es tomado de ellos y transportado al exterior.

El dióxido de carbono es un guardián del pH de la sangre, lo cual es

esencial para sobrevivir. El sistema regulador en el cual el dióxido de

carbono juega un papel importante es el llamado tampón carbonato.

Consiste en iones bicarbonato y dióxido de carbono disuelto, con

ácido carbónico. El ácido carbónico neutraliza los iones hidroxilo, lo

47

que hará aumentar el pH de la sangre cuando sea añadido. El ión

bicarbonato neutraliza los protones, lo que provocará una

disminución del pH de la sangre cuando sea añadido. Tanto el

incremento como la disminución del pH son una amenaza para la

vida.

Asfixia.

Causada por la liberación de dióxido de carbono en un área cerrada o

sin ventilación. Esto puede disminuir la concentración de oxígeno

hasta un nivel que es inmediatamente peligroso para la salud

humana.

Congelación.

El dióxido de carbono siempre se encuentra en estado sólido por

debajo de los 78ºC en condiciones normales de presión,

independientemente de la temperatura del aire. El manejo de este

material durante más de un segundo o dos sin la protección adecuada

puede provocar graves ampollas, y otros efectos indeseados. El

dióxido de carbono gaseoso liberado por un cilindro de acero, tal

como un extintor de incendios, provoca similares efectos.

Dañosrenales o coma.

Esto es causado por una alteración en el equilibrio químico del

tampón carbonato. Cuando la concentración de dióxido de carbono

aumenta o disminuye, provocando alteración del equilibrio, puede

tener lugar una situación amenazante para la salud.

6.2.2. Efectos del Oxígeno sobre la salud

Todo ser humano necesita oxígeno para respirar, pero como ocurre con

muchas sustancias un exceso de oxígeno no es bueno. Si uno se expone a

grandes cantidades de oxígeno durante mucho tiempo, se pueden producir

daños en los pulmones. Respirar un 50-100% de oxígeno a presión normal

durante un periodo prolongado provoca daños en los pulmones. Las personas

que en su trabajo sufren exposiciones frecuentes o potencialmente elevadas a

48

oxígeno puro, deben hacerse un chequeo de funcionamiento pulmonar antes

y después de desempeñar ese trabajo. El oxígeno es normalmente

almacenado a temperaturas muy bajas y por lo tanto se deben usar ropas

especiales para prevenir la congelación de los tejidos corporales.

6.3. IMPACTOS OCUPACIONALES DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN

Teniendo en cuenta las afecciones que pueden llegar a causar el proceso de

combustión sobre la salud de lostrabajadores y los habitantes del área vecina en que

se desarrolla el proceso, se presentan a continuación los principales impactos de

tipo ocupacional ocasionados:

Los óxidos de azufre, generados en los procesos de combustión, se disuelven en

las mucosas del tracto superior respiratorio, cuya función es proteger e impedir

el avance de sustancias hacia regiones más delicadas, de esta forma puede

penetrar hasta las zonas más vulnerables de los pulmones causando graves

daños.

La ocurrencia de un proceso de combustión incompleta puede conllevar a la

formación de compuestos carcinógenos.

El monóxido de carbono, emitido por la ocurrencia de combustiones

incompletas actúa sobre la hemoglobina de la sangre impidiendo el transporte de

oxígeno al organismo. En altas concentraciones, puede causar la muerte en seres

humanos

La exposición a material particulado puede producir conjuntivitis, quemaduras

cornéales, gastritis crónica, perforación del tabique nasal, dermatitis vesicular,

bronquitis y enfisemas, además de causar una severa irritación en la piel.

La exposición continúa a vibraciones y ruidos, producidos principalmente por el

sistema de alimentación de aire al proceso de combustión pueden ser causantes

de reducción de la capacidad auditiva temporal o permanente y estrés. Las

vibraciones lesionan los músculos y los nervios, ocasionando neuralgias y

calambres.

En las áreas cercanas al área en que se desarrolla el proceso de combustión se

manejan altos niveles de humedad y calor, generando ambientes inconfortables

49

de trabajo. La exposición prolongada a estos factores puede provocar

salpullidos, calambres y agotamiento.

6.4. BUENAS PRÁCTICAS OPERATIVAS

En este ítem se agrupan todas aquellas actividades encaminadas a la modificación y

al rediseño de las actividades asociadas al proceso de combustión y de los sistemas

utilizados para tal fin.

Entre las principales actividades catalogadas como buenas prácticas se tiene el

control del proceso de combustión y su monitoreo, actividad que se constituye en

una de las etapas fundamentales para la búsqueda de ahorros y eficiencias en la

utilización de combustibles. Se debe tener en cuenta la proporción correcta

proporción de aire-combustible, con lo cual se evita "arrojar" energía por la

chimenea o enfriar el hogar de la caldera con exceso de aire.

6.4.1. Control del caudal de aire

El control del aire aportado para combustión tiene gran importancia.

Generalmente siempre es necesario un exceso de aire para que la combustión

sea completa y no se produzcan inquemados. Este exceso puede estar entre

el 10% y el 50%, dependiendo de la sofisticación del sistema de control de

combustión, el objetivo del proceso y el tipo de combustible utilizado.

Algunos excesos de aire típicos se presentan en la tabla N° 8.

El control del caudal de aire, aparte de garantizar la proporción de la mezcla

combustible deseada, determina de alguna manera, la temperatura de los

gases de combustión y la cantidad de energía que se puede aprovechar de los

mismos, acercando con esto al proceso de combustión completa.

Algunos aspectos importantes para tener en cuenta en la regulación del

caudal de aire en el proceso de combustión son los siguientes:

Al aumentar el exceso de aire, se disminuye la eficiencia de combustión,

aumentando así el consumo de combustible.

Al aumentar el exceso de aire y manejar dentro del proceso temperaturas

excesivamente altas, se reduce la eficiencia térmica del sistema.

En los sistemas de combustión, no deben permitirse diferencias de

50

temperaturas entre la salida de chimenea y el proceso en sí, superiores a

los 150° C.

COMBUSTIBLE % EXCESO DE AIREGas natural 10Gas licuado de petróleo 15Fuel oil 20-25Crudo 20-50Carbón mineral 25 - 30

TABLA Nº 8- excesos de aire recomendados

Fuente: (MINEM)

6.4.2. Control de mezcla en el quemador

El ajuste de los requerimientos de aire en un proceso de combustión implica

el desarrollo de ajustes directamente sobre los elementos que actúan en dicho

proceso; uno de éstos es el quemador. En procesos de combustión

complejos, como pueden ser los sucedidos en calderas pirotubulares, el

quemador debe poseer un margen de operación para distintos niveles de

requerimientos de energía, además de responder a ciclos de control

automático de encendido y seguridad. El quemador debe poseer un soplador

de aire y válvula reguladora de gas, integradas en un solo cuerpo. La válvula

reguladora de gas actúa de acuerdo con un programa preestablecido de

encendido y responde a los distintos escenarios de carga. Igualmente, la

cantidad de aire es ajustada automáticamente de acuerdo con los

requerimientos puntuales del proceso.

Cada quemador debe poseer facilidades para el ajuste de la mezcla. Cada

industria deberá elegir el tipo de quemador indicado acorde con las

exigencias de sus procesos, ya que en el mercado existe gran variedad de

quemadores y sistemas de control de la relación aire-combustible asociado a

cada uno. Entre los parámetros que deben tenerse en cuenta para la selección

de un quemador, se incluyen la tecnificación del proceso, el costo de la

energía (combustible) y las condiciones disponibles de presión.

Otros aspectos que deben tenerse en cuenta en la operación de un quemador

son los siguientes:

51

Revisar y limpiar periódicamente boquillas de quemadores y/o

parrillas.

Utilizar la temperatura y presión de atomización (datos suministrados

por elfabricante) acorde con la viscosidad del líquido en caso de

trabajar con uncombustible en este estado.

No sobrepasar la temperatura de atomización, ya que esto ocasiona

un mayor consumo energético y en consecuencia mayores costos en

el consumo de combustible.

Evaluar que la relación aire-combustible se pueda controlar

consistentemente.

Utilizar el fluido de atomización adecuado para aquellos quemadores

que así lo requieren.

Mantener el rango de presión del combustible en los valores

recomendados por el fabricante en el caso de combustibles gaseosos.

Precalentar el aire de combustión con el calor residual de los humos.

6.4.3. Recirculación de los gases de escape

Mediante la recirculación de los gases de escape se consigue recuperar parte

de los hidrocarburos no quemados en el anterior ciclo de combustión,

reduciendo así el costo de combustible y optimizando la eficiencia

energética del sistema de combustión. La recirculación de los gases de

escape dependerá de la eficiencia del sistema de combustión que se tenga, de

la disponibilidad de espacio y del sistema de combustión como tal.

Otro sistema de recirculación de gases que puede implementarse en las

unidades empresariales es utilizar dichos gases de escape como elementos de

precalentamiento del combustible alimentado y/o el aire necesario para el

proceso de combustión.

6.4.4. Control de combustible

Teniendo en cuenta que gran parte de las emisiones generadas al ambiente

por los procesos de combustión se refieren al tipo de combustible utilizado,

las unidades empresariales deben garantizar un combustible de

52

características apropiadas (contenido de azufre y nitrógeno). De forma

similar, debido a que el proceso de combustión se constituye en una reacción

química que ocurre en fase gaseosa, el sistema empleado para el desarrollo

de procesos debe garantizar una adecuada atomización del combustible, en el

caso de que este sea líquido, y un adecuado tamaño de partícula, si se trabaja

con un combustible sólido (carbón).

Es recomendable en este punto que el empresario solicite a su proveedor

ficha técnica y análisis fisicoquímico del combustible suministrado.

6.4.5. Otras buenas prácticas operativas

Dentro de otras prácticas operativas que hacen de la combustión un proceso

más eficiente se tienen las siguientes:

Limpiar las superficies de intercambio de calor periódicamente.

Controlar los aumentos progresivos en la temperatura de humos y

gases de escape.

Realizar deshollinamiento periódico a los sistemas de combustión.

Revisar los sistemas de control tales como termómetros y

manómetros, ya que su descalibración puede llegar a afectar

ostensiblemente el desarrollo del proceso.

No permitir concentraciones de monóxido de carbono superiores a

400 mg/L en los gases de escape.

Atomizar los líquidos a la presión recomendada y/o mediante la

utilización de fluidos, con el fin de acercar el proceso a la

combustión completa.

Vigilar y evaluar periódicamente la coloración de la llama.

Regular el tiro de la chimenea, mediante la utilización de un dámper.

Es importante anotar que excesos de aire en la chimenea pueden

causar el arrastre de material particulado y su posterior emisión a la

atmósfera.

Drenar periódicamente el agua que pueda almacenarse en los tanques

de almacenamiento de combustible.

53

Manejar registros generales del proceso de combustión, en los que se

incluyan, entre otros parámetros, presión, temperatura de aire y

combustible.

Si el sistema de combustión lo permite, realizar el calentamiento y

alimentación en contracorriente.

7. REFERENCIAS

1. 350.300, NTP. 2002.NORMAS TECNICAS PERUANAS. LIMA : s.n., 2002.2. AENOR, "Caracterización de combustibles gaseosos necesarios para los

54

proyectos de calderas", Norma UNE 9-009-85, Madrid 1985.3. AENOR, "Caracterización de combustibles líquidos necesarios para los

proyectos de calderas", Norma UNE 9-008-85, Madrid 1985.4. AENOR, "Caracterización de combustibles sólidos de origen no fósil

necesarios para los proyectos de calderas", Norma UNE 9-017-85, Madrid1985.

5. ANTHONY L. KOHAN, "Manual de calderas, principios operativos demantenimiento, construcción, reparación, seguridad, requerimientos ynormativas" Mc Graw Hill, Madrid 2000.

6. ASTIAGARRAGA URQUIZA J. y JOSÉ LUIS AGUIRRE ORMAZA,"Hornos Industriales de Inducción", Mc Graw Hill, Madrid 1994.

7. BARRETO. [Online] [Cited: 05 03, 2011.]www.uruman.org/4to_congreso_docs/trabajos.../Barreto.

8. CARL D. SHIELD, "Calderas tipos, características y sus funciones",Compañía Editorial continental, S.A., México 1980.

9. CENTRO DE ESTUDIOS DE LA ENERGÍA, "Manual Técnico y deInstrumentación para Conservación de Energía and Redes de distribución defluidos térmicos", Ministerio de Industria y Energía, Secretaría General de laEnergía y Recursos Minerales, Madrid1983.

10. CENTRO DE ESTUDIOS DE LA ENERGÍA." Redes de distribución defluidos térmicos" MIER, Madrid 1983.

11. IDEA, "Uso eficiente de energía en calderas y redes de fluidos" IDEA, Madrid1987.

12. IDEA, "Uso eficiente de energía en calderas y redes de fluidos", IDEA, Madrid1996.

13. MINISTERIO DE INDUSTRIA Y ENERGÍA, "Técnicas de conservaciónEnergética en la industria, 1. Fundamentos y ahorro en operaciones",Comisaria de la energía y recursos minerales Centro de Estudios de la Energía,Madrid 1982.

14. MINISTERIO DE INDUSTRIA Y ENERGÍA, "Técnicas de conservaciónEnergética en laindustria, 1. Fundamentos y ahorro en operaciones",Comisaria de la energía y recursos minerales Centro de Estudios de la Energía,Madrid 1982.

15. MOLINA IGARTUA, L.A. y G. MOLINA IGARTUA, "Manual de EficienciaEnergética térmica en la industria", CADEM, Bilbao 1993.

16. MOLINA IGARTUA, L.A. y G. MOLINA IGARTUA. "Manual de eficienciaenergética térmica en la industria", Edita Ente Vasco de la Energía, Bilbao1993.

17. PERUANAS, NORMAS TECNICAS. 2006.NTP 111.019. LIMA : s.n., 2006.18. SEDIGAS, "Manual del gas y sus aplicaciones, sector primario e industrial",

Sedigas, Barcelona 1990.19. SHIELDS, C.D."Calderas Tipos, Características y sus Funciones", CECSA,

México 1980.20. UTU. [Online] [Cited: 07 25, 2011.] industriales.utu.edu.uy/.../....21. VERGARA MORO, V. y J.M. ALONSO GIRÓN, "Manual de operadores

industriales de calderas", CADEM, Bilbao 1999.22. WEB. [Online] [Cited: 06 03, 2011.]

www.uruman.org/4to_congreso_docs/trabajos

55

www.sistemascalefaccion.com/calderas/industriales.html.23. wikipedia. [Online] [Cited: 06 15, 2011.] es.wikipedia.org/wiki/Combustión.24. —. [Online] [Cited: 07 13, 2011.] es.wikipedia.org/wiki/Poder_calorífico.25. yahoo. [Online] [Cited: 06 10, 2011.] ar.answers.yahoo.com › ... › Ciencia y

Matemáticas › Química.

.

8. APENDICE

8.1. COMBUSTIBLE DIESEL Nº2

DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICAD E C A L D E R A S I N D U S T R I A L E S – NTP 350.300:2002

HOJA DE DATOSFecha: 26 – 04 - 2012

www.sistemascalefaccion.com/calderas/industriales.html

56

Hora de inicio: 13 : 00DATOS DEL PROPIETARIO DATOS DEL CONSULTORNombre : UNAC Responsable : JAIME FLORES SANCHEZDirección : AV. JUAN PABLO S/N Asistente : JOSE LOOLocalidad : BELLAVISTA - CALLAO Entidad : UNAC - FIMEDATOS GENERALESCaldera No.Marca : JC SERMIN SA Modelo :D42-40-2G # Pasos : [ 3 ]Tipo : [ Pirotubular ]Potencia nominal : 40 [ BHP ]Presión de diseño : 250 [ psig ]Quemador Marca : POWER FLAME INCORPORATED Modelo : C2-00-20B Tipo de atomizaciónCombustible : [ DIESEL Nº 2 ] Aire Vapor BombaConsumo : 12 gal/hCONDICIONES DE OPERACIÓN

AGUA-VAPORCOMBUSTIBLE COMBUSTIBLE AIRE DE COMBUSTIÓN

Presión de vapor : 80 psig Temperatura : 23°C Temperatura : 35 °C

Temperaturaingreso : 20 °C Presión de atomización: __ psig Presiónbarométrica : 1013.3 mbar

Flujoingreso :110 gal/h HumedadRelativa : 78.8 %

MEDICIÓN DEL ÁREA DE LA SUPERFICIE EXTERIORPirotubular Diámetro : m

Largo : m Área de la superficie sobre los gases : 12.5 m2 Ag

Acuotubular Ancho : _______ m A Área de la superficie sobre el fluido de trabajo : 53.5 m2Af

Alto : _______ m H Área total de la superficie exterior : 18.58 m2

MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA DE SUPERFICIE EXTERIORSUPERFICIE SOBRE EL FLUIDO (Af) SUPERFICIE SOBRE LOS GASES (Ag)

1 2 3 4 5 1 2 3 4 553.3 m2 12.5 m2

MEDICIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓNPARÁMETRO 1 2 3 4 5 PROMTemperaturagasesºC 169 178 225 220 218 202O2 % 6.6 7 10.6 9.8 9.4 8.68CO ppm 27 35 16 16.4 15.8 22.04CO2 % 10.7 9.10 7.7 7.2 7.0 8.34Hora 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 __:__

HOJA DE DATOS Nº 1

FUENTE - NTP 350.300 - 2002

8.2. COMBUSTIBLE GLP

DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICAD E C A L D E R A S I N D U S T R I A L E S – NTP 350.300:2002

HOJA DE DATOSFecha: 26 – 04 - 2012Hora de inicio: 13 : 00

57

DATOS DEL PROPIETARIO DATOS DEL CONSULTORNombre : UNAC Responsable : JAIME FLORES SANCHEZDirección : AV. JUAN PABLO S/N Asistente : JOSE LOOLocalidad : BELLAVISTA - CALLAO Entidad : UNAC- FIMEDATOS GENERALESCaldera No.Marca : JC SERMIN SA Modelo : # Pasos : [ 3 ]Tipo : [ Pirotubular ]Potencia nominal : 40 [ BHP ]Presión de diseño : 250 [ psig ]Quemador Marca : POWER FLAME INCORPORATED Modelo : C2-00-20B Tipo de atomizaciónCombustible : [ GLP ] Aire Vapor BombaConsumo :CONDICIONES DE OPERACIÓN

AGUA-VAPORCOMBUSTIBLE COMBUSTIBLE AIRE DE COMBUSTIÓN

Presión de vapor : 100 psig Temperatura : --- °C Temperatura : °C

Temperaturaingreso : 20°C Presión de atomización : __ psig Presiónbarométrica : 1013.3 mbar

Flujoingreso :132.086 gal/h Humedad Relativa : 71.5 %

MEDICIÓN DEL ÁREA DE LA SUPERFICIE EXTERIORPirotubular Diámetro : m

Largo : m Área de la superficie sobre los gases : 12.5 m2 Ag

Acuotubular Ancho : _______ m A Área de la superficie sobre el fluido de trabajo : 53.5 m2Af

Alto : _______ m H Área total de la superficie exterior : 18.58 m2

MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA DE SUPERFICIE EXTERIORSUPERFICIE SOBRE EL FLUIDO (Af) SUPERFICIE SOBRE LOS GASES (Ag)

1 2 3 4 5 1 2 3 4 553.5 m2 12.5 m2

MEDICIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓNPARÁMETRO 1 2 3 4 5 PROMTemperatura ºC 150 152 148 155 158 152.6O2 % 7 6.8 7.2 7.0 6.6 6.92CO ppm 0.02 0.03 0.024 0.022 0.032 0.0256CO2 % 11 10.8 11.2 11.4 10.8 11.04Hora 14:00 14:10 14:20 14:30 14:50 __:__

HOJA DE DATOS Nº 2

FUENTE- NTP 350.300 - 2002

9. ANEXOS

9.1 COMBUSTIBLES

9.1.1 Diesel

El gasóleo, también denominado gasoil o diésel, es un líquido de color

58

blancuzco o verdoso y de densidad sobre 850 kg/m3 (0,850 g/cm3),

compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente

como combustible en motores diésel y en calderas.

Cuando es obtenido de la destilación del petróleo se denomina diesel y

cuandoes obtenido a partir de aceites vegetales se denomina biodiésel.

Petro-diésel es una mezcla de hidrocarburos que se obtiene por

destilación fraccionada del petróleo entre 250 °C y 350 °C a presión

atmosférica. El gasóleo es más sencillo de refinar que la gasolina y suele

costar menos. Por el contrario, tiene mayores cantidades de compuestos

minerales y de azufre.

El gasóleo tiene aproximadamente un 18 por ciento más energía por

unidad de volumen que la gasolina, lo que, sumado a la mayor eficiencia

de los motores diesel, contribuye a que su rendimiento sea mayor.

En el uso marítimo se utilizan varios grados de petrodiésel, que van

desde el gasóleo corriente hasta el fuelóleo pesado.

9.1.2 Gas Licuado de Petróleo: Glp

El GLP es un combustible limpio.

No es tóxico, pero puede provocar asfixia.

Puede ocasionar irritaciones en contacto con la piel y con los ojos.

Es altamente inflamable, su combustión es muy rápida generando altas

temperaturas.

El GLP está compuesto, mayoritariamente, por propano y butano.

El GLP se licua a bajas presiones entre 60 y 120 psi aproximadamente,

dependiendo de la mezcla propano - butano.

Posee una gran capacidad de expansión, de estado líquido a gaseoso

aumenta su volumen 270 veces aproximadamente.

El GLP en fase gaseosa, es más pesado que el aire, por ello, en caso de

fugas tiende a ubicarse o depositarse en lugares bajos. En estado líquido

el GLP es más liviano que el agua.

El GLP es un combustible que en determinados porcentajes con el aire

forma una mezcla explosiva, presentando un Límite de Inflamabilidad

59

para el propano entre 2.15 y 9.60% de gas en aire, y para el butano, entre

1.55 y 8.60% de gas en aire.

El GLP producido de los líquidos de gas natural o de gases de refinería

es incoloro e inodoro, por lo que para percibir su presencia en el

ambiente se le añade un químico especial "agente odorante" denominado

mercaptano.

Gas Licuado de Petróleo, es una mezcla de gases (propano y butano)

obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo crudo, que a

temperatura normal y a presión atmosférica permanecen en estado

gaseoso, pero que tienen la propiedad de pasar al estado líquido

sometidos a presión.

Esta propiedad permite almacenarlo en depósitos pequeños a un costo

razonable.

A continuación se presentan las propiedades aproximadas del GLP:

PropanoComercial

ButanoComercial

Presión de vapor en Kpa (presión absoluta) a:20 ºC 1.000 220

60

40 ºC 1.570 36045 ºC 1.760 38555 ºC 2.170 580Peso especifico 0.504 0.582Punto de ebullición inicial a 1.000 atm de presión, ºC -42 -9Peso por metro cubico de liquido a 15.56 ºC , Kg 504 582Calor especifico del liquido, kilojoules por kilogramo, a15.56 ºC

1.464 1.276

Metros cúbicos de vapor por litro de liquido a 15.56 ºC 0.271 0.235Metros cúbicos de vapor por kilogramo de liquido a 15.56ºC

0.539 0.410

Peso especifico del vapor (aire = 1) a 15.56 ºC 1.50 2.01Temperatura de ignición en aire, ºC 493 – 549 482 – 538Temperatura máxima de llama en aire, ºC 1.980 2.008Limites de inflamabibilidad en aire, % de vapor en lamezcla aire – gas:Inferior 2.15 1.55Superior 9.60 8.60Calor latente de vaporización en el punto de ebullición:Kilojoules por kilogramo 428 388Kilojoules por litro 216 226Cantidad de calor total luego de la vaporización:Kilojoules por metro cubico 92.430 121.280Kilojoules por kilogramo 49.920 49.140Kilojoules por litro 25.140 28.100

TABLA Nº 9 - PROPIEDADES APROXIMADAS DEL GLP

Fuente: Código del Gas Licuado de Petróleo. NFPA 58 – Edición 2004.

61

9.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL DIESEL Y EL GLP

DIESEL GLP

VENTAJAS

Mayor rendimiento térmico con mayor potencia útil. No requiere revisiones frecuentes. Consumen menos combustible y su potencia es mayor. No requieren trabajar a altas revoluciones para

producir su máxima potencia.

No contiene plomo ni azufre. Por su condición de gas, facilita una combustión más completa y

limpia, que se refleja en la reducción del 90% de emisión departículas.

Tiene mayor resistencia al autoencendido que otros, por tener 103octanos.

Resulta económico por su alto rendimiento térmico y requiereninstalaciones sencillas, de bajo costo de inversión ymantenimiento.

Proporcionan un calentamiento preciso y homogéneo, debido a laconstancia de su poder calorífico.

Es fácil alcanzar mezclas homogéneas de aire combustible, lo quepermite mejorar sustancialmente la eficiencia en la utilización delproducto. Su rango de eficiencia térmica puede alcanzar el 90%.

La adaptación de los equipos para utilizar GLP es sencilla,económica y de montaje rápido.

Arrancan a cualquier temperatura.

DESVENTAJAS

Mayor peso, más ruidoso y costo elevado. Arranque más difícil y menor régimen de

revoluciones. Reparaciones costosas. Demoran en arrancar a bajas temperaturas. Su mantenimiento a corto plazo es más caro, pues

debido al tamaño de sus piezas se requiere más aceite.

Consumen mayor combustible y ofrecen menos potencia. Tiene menor durabilidad.

TABLA Nº 10 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE DIESEL Y GLP – FUENTE – EL AUTOR

62

9.3 PROPIEDADES

PROPIEDADES

DIE

SEL

NUMERO DE CETANO. VOLATILIDAD AZUFRECorresponde a la cantidad presente(porcentaje en volumen) de cetano(hexadecano) en una mezcla dereferencia con igual punto deinflamación que el carburante(hidrocarburo) sometido a prueba.El número o índice de cetano guardarelación con el tiempo que transcurreentre la inyección del carburante y elcomienzo de su combustión. Unacombustión de calidad ocurre cuandose produce una ignición rápidaseguida de un quemado total yuniforme del carburante.Cuanto más elevado es el número decetano, menor es el retraso de laignición y mejor es la calidad decombustión. Por el contrario, aquelloscarburantes con un bajo número decetano requieren mayor tiempo paraque ocurra la ignición y despuésqueman muy rápidamente,produciendo altos índices deelevación de presión.Si el número de cetano es demasiadobajo, la combustión es inadecuada yda lugar a ruido excesivo, aumento delas emisiones, reducción en elrendimiento del equipo. Un humonegro y ruido excesivos sonproblemas comunes.En definitiva es un indicativo de laeficiencia de la reacción que se llevaa cabo en las calderas.Para aumentar el número de cetano(NC) usamos los denominadomejoradores de la ignición, que soncomponentes adicionados enpequeñísimas cantidades.Mejoran el NC en la fracción gasóleo,reducen el tiempo de retardo entre lainyección y la ignición delcombustible. Los más comunes sonlos nitratos orgánicos, los peróxidos,los polisulfuros, los aldehídos,cetonas y los éteres muy volátiles.Los nitratos presentan el problema deque son muy contaminantes. Losperóxidos son explosivos y ademáscaros.

El punto inicial dedestilación de la fraccióngasóleo está entre160/190°C, mientras que elpunto final máximo es de370°C. El residuo de ladestilación va ligado a lascolas de destilación, queestán formadas por loscomponentes de la fraccióncon más átomos de C, losmás pesados, lineales sonlos que tienen mayor puntode ebullición y de mayormasa molecular.

El azufre se encuentranaturalmente en el petróleo.Si éste no es eliminadodurante los procesos derefinación, contaminará alcombustible.La reducción del límite deazufre en el diesel a 0.05por ciento es una tendenciamundial. La correlación delcontenido de azufre en eldiesel con las emisiones departículas y el S02 estáclaramente establecida.Para poder cumplir con losrequerimientos de nivelesbajos de azufre, esnecesario construircapacidades adicionales dedesulfuración. Así como lasunidades de desintegracióncatalítica (FCC), sonprimordiales para laproducción de gasolina, lahidrodesintegración esfundamental para laproducción de diesel. Enambos procesos la cuestiónse enfoca en la selección dela materia prima alimentada.

63

DIE

SEL

DENSIDAD Y VISCOSIDAD AROMÁTICOS LUBRICIDAD

La inyección de diesel en la calderaestá controlada por volumen o portiempo de la válvula de solenoide. Lasvariaciones en la densidad yviscosidad del combustible resultanen variaciones en la capacidad degeneración de vapor del equipo, enlas emisiones y el consumo. Ademásla densidad influye en el tiempo deinyección de los equipos de inyeccióncontrolados mecánicamente.

Los aromáticos sonmoléculas del combustibleque contienen al menos unanillo de benceno. Elcontenido de aromáticosafecta la combustión y laformación de PMOs y delas emisiones dehidrocarburospoliaromáticos.El contenido de aromáticosinfluye en la temperatura dela flama y, por lo tanto, enlas emisiones de NOxdurante la combustión.

Las bombas de diesel, afalta de un sistema delubricación externa,dependen de laspropiedades lubricantes deldiesel para asegurar unaoperación apropiada.Sepiensa que loscomponentes lubricantesdel diesel son loshidrocarburos más pesadosy las substancias polares.Los procesos de refinaciónpara remover el azufre deldiesel tienden a reducir loscomponentes delcombustible que proveen delubricidad natural. A medidaque sereducen los nivelesde azufre, el riesgo de unalubricidad inadecuadaaumenta.Las normativas sobreemisiones en la UniónEuropea han obligado a lasrefinerías a reducirdrásticamente los niveles deesas impurezas, dandocomo resultado uncombustible más limpio. Lasregulaciones de EstadosUnidos al respecto sonmenos exigentes, al igualque en nuestro país.La reducción de los nivelesde azufre hace que seanmenos contaminantes depor sí, y permiten el uso decatalizadores mássofisticados para reducir lasemisiones de óxidos denitrógeno. Sin embargo,esto también reduce laspropiedades lubricantes delgasóleo, por lo que se tieneque añadir aditivos quemejoren su lubricidad.

64

GLP

ES INCOLORO ES INODORO MÁS LIVIANO QUE ELAGUA

Tanto en su estado líquido como ensu estado gaseoso. Sólo se hacevisible cuando el gas líquido esliberado en forma muy rápida al medioambiente, porque en ese momento seproduce una transformación o cambiode estado, de líquido a gas o vapor.Se puede decir que es gas invisiblemientras no esté saturado dehumedad y vapor cuando es saturadode humedad y visible por las gotas deagua en suspensión.

Por lo que para sucomercialización se exigeque sea mezclado con unasustancia odorizante. Losmás usados son algunossulfuros y /o mercaptanosque por su costo eintensidad del olor debe serdosificado enaproximadamente 1 Kg. porcada 80,000 litros de gaslicuado de petróleo, estasustancia permite que encaso de fuga de gas LPesta pueda ser fácilmentedetectada.

En su fase líquida es másliviano que el agua, enaproximadamente la mitadde su peso, cuando existederrame de gas liquido yeste inunda bajo nivel desuperficie y/o redes deconductos que contienenagua u otro fluido, el gas LPen estado liquidopermanecerá por encimadel nivel superior,moviéndose conjuntamentecon el flujo de agua y almismo tiempo tambiénestará vaporizándose, de talforma que existe altaprobabilidad de que lascondiciones se den paraque halla deflagración, en elmismo lugar del derrame oen un sitio cercano oalejado de donde sederramo el gas LP.

PODER DISOLVENTE MÁS PESADO QUE ELAIRE NO ES TÓXICO

Los gases LP en estado líquido sondisolventes del caucho natural,grasas, aceites, pinturas, etc. Enestado gaseoso disuelve parcialmenteestas sustancias. El caucho sintéticoresiste perfectamente su acción, porlo que cuando se seleccionan losmateriales que estarán en contactodirecto con el gas tendrá que tenersebien presente esta propiedad (paraempaquetaduras, selladores, etc...).

En su fase vapor es maspesado que el aire enaproximadamente dosveces, por tal razón cuandoexiste una fuga o esliberado por cualquiercircunstancia al medioambiente, este tiende abuscar las partes o áreascercanas más bajas, dondesi no existe movimiento deaire, permanecerá inmóvil,con una gran probabilidadde ser el causante de unadeflagración.

Los gases licuados depetróleo no son tóxicos, laacción fisiológica sobre elorganismo, producida poruna posible inhalación, setraduce en una ligera acciónanestésica; pero sí puedeproducir asfixia cuando lapersona se encuentraexpuesta en un lugarcerrado que contenga unaatmósfera bien concentradade gas LP, en la cualprácticamente no existaoxígeno. En cualquiera delos casos el paciente tieneque ser alejado parabrindarle el auxilioadecuado.

TABLA Nº 11 PROPIEDADES DEL DIESEL Y GLP – FUENTE – EL AUTOR

65

9.4 DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA

Por tratarse del Método Indirecto, o de pérdidas, la eficiencia se determinará

mediante la siguiente expresión, según las Normas Técnicas Peruanas

η = 100 − (P + P + P + P + P + P )…………………. Ec. 9.1

9.4.1 Pérdida por la entalpía de los gases de escape secos, P1

La pérdida porcentual de calor debida a la entalpía en los gases de escape, en

base seca, se calcula mediante:

P = k [ ] …………………. Ec. 9.2

Algunos valores típicos de “k” se muestran en la Tabla 12.

Combustible K

Residuales 0,53Destilados 0,48GLP 0,40Gas Natural 0,35

TABLA Nº 12

FUENTE - NTP 350.300 – 2002 – Pg. 14 de 28

La relación entre los contenidos de dióxido de carbono y oxigeno es:

[CO ] = 1 − [ ] . [CO ] …………………. Ec. 9.3

Los valores típicos de CO2max se muestran en la Tabla 13.

66

Combustible CO2 max

Residuales 15,8Destilados 15,5GLP 13,8Gas Natural 11,9

TABLA Nº 13

FUENTE - NTP 350.300 – 2002 – Pg. 15 de 28

9.4.2 Perdida por la entalpia del vapor de agua en los gases, P2

La pérdida porcentual de calor debida a la entalpía del vapor de agua en los

gases de escape, se calcula mediante:

P = ([ ] .[ ]). . . …………………. Ec. 9.4

9.4.3 Perdida por inquemados gaseosos, P3.

La pérdida porcentual de calor debida a los inquemados gaseosos, se calcula

mediante:

P = k [ ][ ] [ ]…………………. Ec. 9.5

Los valores de la constante “k1”, se muestran en la Tabla 14.

Combustible K1

Residuales 54Destilados 53GLP 48Gas Natural 40

TABLA Nº 14

FUENTE - NTP 350.300 – 2002 – Pg. 16 de 28

67

9.4.4 Pérdida por inquemados sólidos, P4

La pérdida porcentual de calor debida a los inquemados sólidos, se calcula

mediante:

P = 0.14. B + 0.008. B + 0.07…………………. Ec. 9.6

9.4.5 Pérdida por convección, P5

La pérdida porcentual de calor debida a la convección, se obtiene sumando

las pérdidas porcentuales por convección para cada tipo de superficie

exterior, mediante:

P = 80. ̇ ̇ …………………. Ec. 9.7

Donde:Q̇ = h . A . (T − T ) + h . A . T − T ……………Ec. 9.7.1h = 1.973x10 . (T − T ) . + (2.857. ν + 1) . …… Ec. 9.7.2h = 1.973x10 . T − T . + (2.857. ν + 1) . ……Ec. 9.7.3

9.4.6 Pérdida por radiación, P6

La pérdida porcentual de calor debida a la radiación, se obtiene sumando las

pérdidas porcentuales por radiación para cada tipo de superficie exterior,

mediante: P = 80. ̇ ̇ ……………Ec. 9.8

Donde:Q̇ = (q . A ) + q . A ……………Ec. 9.8.1q = 5.763x10 . ε. [(T + 273) − (T + 273) ]………Ec. 9.8.2q = 5.763x10 . ε. T + 273 − (T + 273) …… Ec. 9.8.3

68

9.5. NORMAS USADAS ANTERIORMENTE PARA LA DETERMINACIÓN DE

LA EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

NTP 350.300 - 2002

CALDERAS INDUSTRIALES

Procedimiento para la determinación de la

eficiencia térmica de calderas industriales

NTP 350.301 - 2004CALDERAS INDUSTRIALES. Estándares

de Eficiencia Térmica.

NOM-002-ENER:1995Norma Oficial Mexicana, Eficiencia térmica

de calderas paquete.

BS 845 Part 1:1987

British Standard Methods for Assessing

thermal performance of boilers for steam, hot

water and high temperature heat transfer

fluids Part 1. Conciseprocedure.

INTE 19-02-07:1994 Norma INTECO

Ensayos de recepción y prueba de operación

para calderas de potencia térmica inferior a

1100 kW, Instituto de Normas Técnicas de

Costa Rica.

Analisis Uso de GLP vs Diesel

Documents

Transcript of Analisis Uso de GLP vs Diesel