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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN ANÁLISIS DE LA VALORACIÓN ECONÓMICA Y AHORRO DE ENERGÍA, CON BASE EXERGÉTICA, INDICANDO PÉRDIDAS DEL GENERADOR DE VAPOR U-3 (CENTRAL TERMOELÉCTRICA VALLE DE MÉXICO) T E S I S : Para obtener el grado de MAESTRO EN CIENCIAS Especialidad Ingeniería Mecánica P R E S E N T A : Ing.: MIGUEL ANGEL ANDRADE RIOS Directores de tesis: Dr. Alejandro Zaleta Aguilar Dr. Fermín Viniegra Heberlein Octubre 2004, México D.F. iv Por su Apoyo y Confianza Todo mi Respeto y Admiración A mi madre Por Sueños y Esperanza Para Futuras Metas A mis hijos Por su Paciencia A mi esposa Gracias v Agradecimientos Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) Al Personal Académico y administrativo del Instituto Politécnico Nacional (IPN) Al personal de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI) de la ESIME–IPN Al personal de la Central Termoeléctrica Valle de México por su compañerismo Al Dr. Alejandro Zaleta Aguilar por su dirección y asesoramiento para realizar este trabajo. Por su amistad y apoyo recibido y en especial dar le mis más sinceras gracias Al Dr. Fermín Viniegra Heberlein por sus valiosas sugerencias durante la realización de la presente tesis A los Ing. Andrés Ordóñez y Oscar Martínez por sus inquietudes, sugerencias y su apoyo brindado para esta meta Al Ing. Manuel Pérez Topete por brindarnos su confianza para realizar este estudio A todos los sinodales, por su paciente revisión y comentarios para la mejora de este trabajo A todos los profesores de la Sección de Estudio de Posgrado e Investigación, por su participación y aportes a mi formación profesional vi Contenido Título i Acta de revisión de tesis ii Carta de cesión de derechos iii Dedicatoria iv Agradecimientos v Contenido vi Resumen ix Abstract x Lista de figuras xi Lista de tablas xii Nomenclatura xiii INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO 1 Fundamentos y Conceptos Básicos para el Análisis Exergético 1 Fundamentos y conceptos básico para el análisis exergético 2 1.1 Introducción 3 1.2 La Exergía como propiedad de estado 5 1.2.1 Ambiente de referencia (AR) 7 1.2.2 Estado muerto 8 1.3 Exergía de un flujo de calor 8 1.4 Exergía de un flujo de trabajo 9 1.5 Exergía pérdida 9 1.6 Balance de exergía 9 1.7 Definición de los métodos de análisis 11 1.7.1 Método convencional 11 1.7.2 Método entrópico 12 1.7.3 Método exergético 12 1.8 Exergoeconomía 13 1.8.1 Teoría del costo exergético 13 1.9 Análisis energético y exergético de generadores de vapor 15 1.9.1 Métodos para la determinación de la eficiencia 15 CAPÍTULO 2 Eficiencia Energética de Generadores de Vapor (pérdidas separadas y método directo) 2 Eficiencia energética de generadores de vapor (pérdidas separadas y método directo) 17 2.1 Operación y rendimiento 18 2.2 Descripción del aire, combustible y gases 19 2.2.1 Aire 20 2.2.2 Combustible 21 2.2.3 Sólidos no quemados del combustible 24 vii 2.2.4 Gases de combustión 25 2.3 Descripción energética 26 2.3.1 Aire 27 2.3.2 Combustible 28 2.3.3 Agua 28 2.3.4 Gases 29 2.3.5 Precalentadores de aire 30 A) Corrección 30 2.3.6 Hogar 31 2.4 Rendimiento energético 32 2.4.1 Aplicación del método directo (Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 32 2.4.2 Descripción del método indirecto; pérdidas separadas (Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 35 A) Pérdidas por gases secos (PGS) 36 B) Pérdidas debidas a humedad por combustión de hidrógeno (PCH) 37 C) Pérdidas por humedad en el aire (PhA) 38 D) Pérdidas por humedad de combustible (PhC) 38 E) Pérdidas debidas al calor al exterior por radiación (PR) 38 F) Pérdidas incontroladas (Pinc) 39 2.4.3 Evaluación del método indirecto (Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 39 CAPÍTULO 3 Eficiencia Exergética de Generadores de Vapor 3 Eficiencia exergética de generadores de vapor 42 3.1 Exergía química del combustible 43 3.2 Exergía total de las sustancias en un generador de vapor 45 3.2.1 Ambiente estable de referencia (AER) 46 3.2.2 Aire 46 3.2.3 Combustible 47 3.2.4 Exergía de un flujo (productos de la combustión) 48 3.2.5 Exergía cenizas volátiles y escorias 52 3.2.6 Sólidos no quemados del combustible 53 3.2.7 Agua 53 3.2.8 Gases 53 3.2.9 Irreversibilidad en precalentadores de aire 54 3.2.10 Irreversibilidad en cámara de combustión (hogar) 54 3.2.11 Irreversibilidad en un generador de vapor 55 3.3 Rendimiento exergético 56 3.3.1 Método directo (Central Termoeléctrica Valle de México, Generador de Vapor U-3) 56 3.3.2 Método de pérdidas separadas; indirecto 57 A) Pérdidas de exergía en los humos (Lbh) 58 B) Pérdidas de exergía por transmisión de calor al exterior (LbQ) 60 C) Pérdidas de exergía incontroladas (Lbinc) 61 D) Pérdidas de exergía por irreversibilidad en la transmisión de calor (LbTC) 61 E) Pérdidas de exergía por irreversibilidad en la combustión (LbC) 64 3.3.3 Total de pérdidas 64 viii 3.4 Análisis comparativo de las eficiencias (energéticas y exergéticas) 65 3.5 Coeficiente de disponibilidad 67 CAPÍTULO 4 Análisis Exergoeconómico de un Generador de Vapor 4 Análisis exergoeconómico de un generador de vapor 68 4.1 Introducción del caso de estudio, Generador de Vapor U-3, Valle de México 69 4.2 Determinación de la eficiencia exergética 71 4.3 Teoría del costo exergoeconómico 73 4.4 Teoría del costo exergético 74 4.4.1 Determinación de los costos exergéticos 75 4.4.2 Determinación del costo unitario (k*) Generador de Vapor U-3, Valle de México 79 4.5 Costo exergoeconómico 80 CAPÍTULO 5 Discusión de resultados 5 Discusión de resultados 81 5.1 Discusión del balance de energía y exergía 82 5.2 Análisis de los costos exergéticos 83 Conclusiones 85 Recomendaciones 89 Bibliografía 90 ANEXOS Anexo 1 Segunda Ley de la Termodinámica (Entropía) 94 Equilibrio termodinámico 94 Estado de un sistema termodinámico 94 Segunda Ley de la Termodinámica (Entropía) 95 El principio de incremento de entropía 104 Anexo 2 Propiedades Termodinámicas 107 Tabla A1 Valores de la constante universal de los gases R 107 Tabla A2 Capacidades caloríficas molares de los gases 107 Tabla A3 Poderes caloríficos en el ambiente y el entorno inmediato 108 Tabla A4 Datos de diseño del Generador de Vapor U-3 Valle de México 109 Tabla A5 Entalpía de formación, Función de Gibbs de formación, Entropía absoluta a 25 oC y 1 atm 110 Tabla A6 Resumen del cálculo energético 111 Anexo 3 Reporte de datos Termoeconómicos de diseño Valle de México U -·3 114 Reporte de datos termoeconómicos de diseño, Valle de México U -·3 114 ix Resumen n el presente trabajo se hace un análisis energético y exergético del generador de Vapor de la Unidad 3 de la Central Termoeléctrica del Valle de México, de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y forma parte de la Subgerencia Regional de Generación Termoeléctrica Central de México. E Se desarrolla la eficiencia en base energética del generador de vapor (Capítulo 2), la cual se basó en la metodología de las normas ASME PTC 4.1. Describiendo el “método directo” e “indirecto”, respectivamente. Los resultados de las pruebas realizadas al caso de estudio, presentan una eficiencia por el método directo de 76.4 %; y por el método indirecto de 84.21 %, teniendo en consideración que el método indirecto es más preciso para su aplicación.Se definen los conceptos fundamentales para establecer una eficiencia exergética de Generadores de Vapor (Capítulo 3); obteniéndose de los resultados de la evaluación, un rendimiento por método directo de 49.84 %, e indirecto de 68.02 %, respectivamente. Durante la evaluación y determinación se muestra la dificultad que presenta la determinación de la exergía química en combustibles y los productos de combustión. Se realiza un análisis termoeconómico (Capítulos 4 y 5) en el generador de vapor. La termoeconomía es una disciplina que une los conceptos de termodinámica y economía, específicamente el análisis de costos exergéticos permite la valoración económica de los procesos, para esto se requiere de una definición de recursos y productos (F – P), definido como “estructura productiva”, para determinar el derroche económico en cada sub-sistema de una planta. En trabajos previos, se han realizado análisis a ciclos de potencia, considerando al generador de vapor como “caja negra”, sin embargo en este trabajo se presenta el concepto de la “estructura productiva racional” basado en la desagregación de equipo, con el objetivo de proponer el mejor arreglo para la definición de “recurso – producto –residuo” así como la asignación de costos en cada uno de los bancos de transferencia de calor del generador de vapor (economizador, evaporador-sobrecalentadores y recalentadores). Los resultados de este trabajo muestran un comparativo (de ventajas y desventajas) entre los distintos métodos de evaluación de la eficiencia del generador de vapor (Fig. 20), así como la distribución de la destrucción de exergía a lo largo del proceso de generación de vapor, detectando áreas de oportunidad para la mejora, (Fig. 16), finalmente presenta una correcta asignación del costo de producción del vapor recalentado y sobrecalentado (Tabla 22), lo que permite diagnostica la producción correcta del generador de vapor. Las conclusiones finales de este trabajo se inclinan por la utilización de eficiencia exergética por pérdidas separadas, dado que a través de este método se puede detectar las mayores pérdidas de exergía por concepto y es un buen indicador de irreversibilidad en un Generador de Vapor. x Abstract n this work an exergy analysis of a Steam Generator is presented. The analysis is developed at the Unit 3 of the “Valle de México” power plant of the company Comision Federal de Electricidad CFE (Mexico) . I The first part of the work introduces the concepts of exergy definition; and the mass, energy and exergy balance, as well as the forms of efficiency in steam generators. In this way (Chapter 2), develops different definition of the efficiency in steam generator plants which are based on the methodology of ASME PTC 4.1. (Performance Test Code), describing the "direct" and "indirect" method, respectively. By evaluating the energy efficiency of the above defined power plant, the test results present an efficiency of the steam generator plant by the direct method of 76.4 %; and by the indirect method of 84.21 %, having in consideration that the indirect method is more precise. In the following part of the work (Chapter 3); it is introduced the concept of exergy efficiency, a direct and indirect definition is presented. The results obtained from the direct method, and for the indirect method are 49.84 % and 68.02 % for the Valle de México Plant, respectively. More elaborated measurements are needed to determine the chemical component of the exergy in fuel and combustion gases. At the final part of the work a thermoeconomic analysis (chapters 4 and 5) in the steam generator is presented. Thermoeconomics is a discipline that join the concepts of thermodynamics and economy, specifically the analysis of exergy costs allows the economic valuation of the processes, for this requires of a definition of Fuels and Products (F - P), defined like "productive structure", to determine the economic waste in each subsystem of a plant. In previous works, analyses to cycles of power have been made, considering to the steam generator like "black box", nevertheless in this work appears the concept of the "rational productive structure" based on the desegregation of component, with the objective to propose the best adjustment for the definition of "resource - product - remainder" as well as the allocation of costs in each one of the banks of heat transference of the steam generator (economizer, evaporator reheater, and superheaters). The final conclusions of this work incline by the use of exergy efficiency by separated losses, since through this method it is possible to be detected the greater losses of exergy by concept and is a good indicator of irreversibility in a Steam Generator. xi Lista de figuras Figura 1 Volumen de control 3 Figura 2 Sistema 7 Figura 3 Masa de control 11 Figura 4 Sistema secuencial 14 Figura 5 Situación de los puntos del Generador de Vapor con carbón 20 Figura 6 Destilación del Petróleo 21 Figura 7 Volumen de control 28 Figura 8 Gráfico de la eficiencia a sus diferentes cargas 35 Figura 9 Representación grafica del balance térmico de un Generador de Vapor 36 Figura 10 Diagrama de flujo de las diferentes pérdidas del balance energético al 100% 40 Figura 11 Ilustración para introducir el concepto de exergía química 44 Figura 12 Precalentador de Aire 54 Figura 13 Cámara de Combustión 55 Figura 14 Generador de Vapor 56 Figura 15 Análisis del Generador de Vapor por las leyes de la Termodinámica 65 Figura 16 Diagrama de flujo de las diferentes pérdidas del balance de exergía 66 Figura 17 Flujo de gases del Generador de Vapor U-3 70 Figura 18 Estructura funcional del Generador de Vapor 71 Figura 19 Diagrama T-s para el Generador de Vapor 76 Figura 20 Rendimiento del Generador de Vapor 82 Figura 21a Generador de Vapor como caja negra 84 Figura 21b Generador de Vapor con nivel de agregación 85 Figura 22 Comparativo de costos Exergéticos y Exergoeconómicos del Generador de Vapor 85 xii Lista de Tablas Tabla 1 Las causas más comunes de las pérdidas térmicas en relación con los Generadores de Vapor 19 Tabla 2 Composición del aire 20 Tabla 3 Análisis volumétrico del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 22 Tabla 3a Factor de peso molecular del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 22 Tabla 3b Por ciento de peso del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 22 Tabla 3c Poder calorífico volumétrico del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 23 Tabla 3d Poder calorífico másico por sustancia del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 23 Tabla 3e Porcentaje de peso en base Carbón e Hidrógeno para el Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México 24 Tabla 4 Estado de referencia para el cálculo de energías 27 Tabla 5 Toma de datos de las diferentes condiciones de operación del Generador de Vapor U-3 Valle de México 32 Tabla 6 Resultados del método directo aplicado al Generador de Vapor U-3 Valle de México 34 Tabla 7 Pérdidas en el Generador de Vapor U-3, Valle de México (100% de carga) 39 Tabla 8 Pérdidas en el Generador de Vapor U-3; en sus diferentes mediciones a diferentes cargas 40 Tabla 9 Características del medio ambiente para calcular la exergía química de combustibles hidrocarburos 46 Tabla 10 Reacciones de combustión 48 Tabla 11 Toma de datos de las diferentes corridas del precalentador 58 Tabla 12 Pérdidas de exergía del Generador de Vapor U-3, Valle de México 64 Tabla 13 Porcentaje de las pérdidas de exergía del Generador de Vapor U-3, Valle de México 66 Tabla 14 Descripción de los flujos 71 Tabla 15 Definición de Fuel-Producto del sistema de la fig. 18 72 Tabla 16 Matriz de incidencia 75 Tabla 17 Costo exergético 76 Tabla 18 Punto Pinch para diseño 77 Tabla 19 Valores obtenidos de los diferentes puntos del diagrama T-s 77 Tabla20 Matriz del costo exergético 78 Tabla 21 Costo exergético 78 Tabla 22 Costo exergoeconómico 80 Tabla 23 Descripción de los flujos 86 xiii Nomenclatura Letras Mayúsculas Letra Minúscula A Matriz bAA Exergía del agua de alimentación AER Ambiente estable de referencia bcom Exergía del combustible Bd Exergía de destrucción bGV Exergía del GV C Capacidad calorífica binc Exergía por incontrolados CAR Calentador de aire regenerativo binq Exergía por no-quemados CD Coeficiente de disponibilidad bm Exergía mecánica Cp Calor específico bpreca Exergía del precalentador F Recurso bq Exergía química FAA Flujo de agua de alimentación bQ Transmisión de calor al exterior FAAt Flujo de agua de atemperación bT Exergía térmica Fp Flujo de purga bvrc Vapor recalentado caliente Fr Gráfica AMBA bvrf Exergía del vapor recalentado frío Fvp Flujo de vapor de purga bvs Exergía del vapor sobrecalentado GV Generador de vapor e Energía H Entalpía g Función de Gibbs Hvrc Entalpía de vapor recalentado caliente h Entalpía especifica Hvrf Entalpía de vapor recalentado frío m Masa Hvs Entalpía de vapor sobrecalentado p Presión I Irreversibilidad s Entropía específica Lb Pérdidas de exergía u Energía interna específica Lbh En los humos v Velocidad Lbinc Incontroladas vi In quemados sólidos Lbpre En el precalentador w Peso LbQ Por transmisión de calor al exterior y Fracción molar LbTC Transmisión de calor al exterior Símbolos Mi Peso molecular Mm Peso molecular de la mezcla d Diferencial dependiente en los estados inicial y final P Producto ∂ Diferencial parcial dependiente del proceso PCS Poder calorífico superior ∝ Coeficiente de la matriz A PCH Humedad por combustión de Hidrógeno R Constante universal de los gases Pesc Pérdidas por escorias B* Costo exergético PGS Pérdidas de calor sensible en gases secos gfo Función de formación de Gibbs PhA Pérdidas por humedad en el aire η Eficiencia PhC Pérdidas por humedad del combustible ηc Eficiencia de Carnot Pinc Perdidas incontroladas k* Costo exergético unitario PR Pérdidas por radiación TG1 Temperatura entrada al CAR Q Calor TG2 Temperatura salida al CAR R Función de Darrieus α Cenizas volátiles S Entropía α Vector para la matriz A T Temperatura Π Costo exergoeconómico U Energía interna µ Potencial químico T y p del AER V Volumen Subíndices Vc Volumen de control W Trabajo a ambiente WAS Peso de aire seca e entrada WGS Peso de gases secos g gas B1 Pérdida disipativa h humos Vp Número de producto i componente i Vf Número de recurso l líquido Wx Todo tipo de trabajo realizado por el sistema o con condiciones del AER X Fracción molar ref referencia Superíndices s salida v vapor s Gas seco vc volumen de control a Ambiente x refiriéndose al tipo 1 Introducción s evidente la importancia del desarrollo de sistemas térmicos que hagan un uso efectivo de los recursos energéticos no renovables como petróleo, gas natural y carbón. El método del análisis exergético (la unión entre las nociones de conservación y disipación de la energía); es especialmente adecuado para conseguir un uso de los recursos energéticos de la forma más eficiente, pues permite determinar la localización, tipo y magnitud real de su despilfarro y pérdida. Esta información puede utilizarse en el diseño o en el diagnóstico de los sistemas térmicos y permite guiar los esfuerzos para reducir las fuentes de la ineficiencia en los sistemas. E La economía esta relacionada con el uso y distribución de los recursos naturales, puestos que de estos dependen los sistemas productivos y el desarrollo tecnológico. Por otra parte, la termodinámica que estudia los procesos de transformación del calor en otras formas de energía y viceversa (la generación termodinámica de energía eléctrica); permitiendo a través de su Segundo Principio (la utilización del concepto de exergía), cuantificar la cantidad de recursos naturales consumidos en un proceso. La conexión entre la exergía y la economía permite la asignación del valor real de los productos energéticos de un sistema (Exergoeconómia) y permite comparar de una manera más racional las distintas posibilidades de funcionamiento de la instalación para evaluar la eficiencia. La aplicación de los conceptos mencionados resulta obvio para la Central Termoeléctrica del Valle de México, puesto que en el Generador de Vapor Unidad 3, es donde ocurren las pérdidas de exergía o energía utilizable mas altas del proceso, lo cual permite encaminar los esfuerzos las fuentes de la ineficiencia en el Generador de Vapor existentes; haciendo hincapié en señalar las necesidad de disponer de un procedimiento adecuado para el control de su rendimiento energético. Esto trae como consecuencia determinar desde el punto de vista de la eficiencia (ya sea energética o exergética), el método de localizar e identificar las causas de la destrucción y/o la pérdida de la disponibilidad de la energía, así como cuantificar su magnitud en costo de producción; lo cual indica la forma de enfatizar la atención en aquellos aspectos de la operación de cada sistema y sus oportunidades de mejora. Todo lo anterior es para proceder de cómo cuantificar la base de la destrucción de la exergía, por lo que se requiere hacer un análisis tanto energético como exergético. En esta tesis se comparan los valores de la eficiencia por los dos métodos de análisis propuestos (energéticos y exergético) para identificar las pérdidas de energía y exergía, de ahí hacer un análisis exergoeconómico y ahorro de energía, donde se pueda observar el costo de la energía en desperdicio. Todo esto es la base del estudio del Generador de Vapor U-3 de la Central Termoeléctrica del Valle de México. 111 FFFUUUNNNDDDAAAMMMEEENNNTTTOOOSSS YYY CCCOOONNNCCCEEEPPPTTOOOSSS BBBÁÁÁSSSIIICCCOOO PPPAAARRRAAA EEELLL AAANNNÁÁÁLLLIIISSSIIISSS EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO T n este capítulo se presentan los fundamentos termodinámicos para la definición de exergía como “función de estado”, así como sus diferentes expresiones analíticas para caracterizar un flujo de materia, calor o trabajo. Se presentan las definiciones de los balances de masa, energía, entropía y exergía. Por otro lado, se hace una breve introducción a los tres métodos de diagnóstico energético de instalaciones industriales: (convencional, entrópico, y exergético) comparando sus ventajas e inconvenientes. Finalmente se presentan aspectos generales de la Termoeconomía como Ciencia de la Economía y la Energía; abriendo la discusión hacia la mejor definición de eficiencia en Generadores de Vapor (método directo o indirecto). E Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 111...111 IIINNNTTTRRROOODDDUUUCCCCCCIIÓÓÓNNN I Como introducción al análisis exergético es importante definir algunos conceptos de la Primera y Segunda Ley de la termodinámica, que permiten conocer las propiedades conservativas de la materia y de la energía, así como la degradación de la calidad de la energía (entropía), respectivamente. Cualquier proceso debe cumplir con los balances de materia, de energía y entropía, bajo el concepto de volumen de control definido, [Balzhiser, 1995]. Dichos conceptos ha permitido la realización de auditorias para el análisis energético de instalaciones industriales. δ W u2 δ ms P2 ,v2Volumen de control Vc u1 δ me P1 ,v1 Limite del Vc δ Q Figura 1. Volumen de control: Sistema industrial abierto objeto del análisis Termodinámico Considerando el volumen de control de la Fig. 1 donde no hay reacciones químicas, ni nucleares entonces el balance de materia para un sistema como el representado en la figura 1, da la ec. (1.1). ( ) ( ) VCse dMmm =∂−∂ (1.1) donde los subíndices "e" y "s" significan "entrada" y "salida"; m es una cantidad infinitesimal de masa que atraviesa los límites del sistema y dM es el incremento de masa acumulada en el interior del volumen de control. Los operadores "∂" y "d" demuestran la diferenciación sobre una función dependiente del proceso en el primer caso y la diferenciación sobre una función independiente sólo de los estados inicial y final en el segundo caso. Por su parte el principio de conservación de la energía, limitado por un volumen de control Vc se escribir como: 3 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético (energía)e – (energía)s = (energía acumulada) (1.2) Desarrollando la expresión de la ec. (1.2), introduciendo el efecto del calor transferido ∂Q al sistema, y el trabajo total realizado por el sistema ∂W, se tiene [Henley, 1993] : ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++=−+⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++−⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++ MgzvudWQmgzvumgzvu se 222 222 δδ (1.3) Dado que el trabajo de un flujo, o trabajo necesario para introducir y sacar masa del volumen de control, está relacionado a los términos –(Pv∂m)e y (Pv∂v)s, la ecuación retomará la formar, teniendo en cuenta que la entalpía∗ (h) tiene un valor de u + pv, como: ( ) ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++=−+−+⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++−⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎛ ⎝ 2 ++ MgzvudpdvdvpWQmgzvumgzvu seeje se 22 222 δδ (1.4) o bien ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++=−+⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++−⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++ MgzvudWQmgzvhmgzvh se 222 222 δδ (1.5) n de control. De esta manera el alance de entropía en su forma general se puede interpretar como: La ecuación (1.5) es generalmente la más utilizada de la Primera Ley de la Termodinámica en su aplicación a sistemas abiertos. Por otro lado, la entropía como propiedad de la materia asociada a la alidad energética**, se puede transferir o acumular en el volumec b acumuladageneradase SSSS =+− (1.6) umentará debido las irreversibilidades que tengan lugar dentro del sistema (∂Sg). Este último término de eneración no aparece en el balance de energía debido a su conservación. Por tanto: Al igual que la energía interna o la entalpía, la entropía es una propiedad de estado asociada a la masa de las corrientes que fluyen (s∂m), y esa entropía podrá variar debido a los flujos de calor absorbidos o cedidos por el sistema a una temperatura T, flujo de entropía (∂Q/T), y además a a g ( ) ( ) ( )sMds T Qmsms gse =∂++∂−∂ δ (1.7) ∗ La entalpía es simplemente es una propiedad útil definida como una combinación de otras propiedades, y no es una forma de energía; H ≅ U +pV; h ≅ u +pv, [Atkins, 1994] ** Ver anexo 1; Segunda Ley de la Termodinámica (Entropía) 4 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético De acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica, siempre ∂Sg ≥ 0, de tal manera que se genera más entropía cuanto más irreversible es un proceso, siendo nula la generación cuando el proceso es versible. La variación de entropía del sistema debida a los flujos de calor, o flujo de entropía, puede a generación total de entropía n un proceso será la suma de las generaciones de entropía causadas por cada una de las reversibilidades que han tenido lugar en el proceso [Alcántara, 2001]. ..222 LLLAAA EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA CCCOOOMMMOOO PPPRRROOOPPPIIIEEEDDDAAADDD DDDEEE EEESSSTTTAAADDDOOO a oportunidad de producir abajo entre dos sistemas cuando hay algún desequilibrio termodinámico entre ellos (ya sea térmico, ecánico, químico, etc.)”. Para definir los dos sistemas se declaran como: 2) El sistema teórico ideal que satisface el equilibro termodinámico, también definido como Ambiente de Referencia (AR). de los dos sistemas, la exergía se puede definir como: “el máximo trabajo teórico ue puede obtenerse de la interacción mutua de ambos sistemas hasta alcanzar el equilibrio Gibbs en los EE.UU. y axwell en Inglaterra, propusieron las primeras definiciones de exergía (también llamada a definición analítica de la exergía parte de la Primera Ley de la Termodinámica, Ec. (1.1 a 1.3), ue puede expresar como: re ser positiva o negativa dependiendo del signo de ∂Q. Si la generación de entropía es causada por las irreversibilidades que ocurren en un proceso; ó (la entropía en sí misma es aditiva, al igual que lo es la energía), entonces l e ir 111. Las bases de la exergía parten de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica. La premisa que lleva al concepto de exergía se da en el hecho de que “siempre existe l tr m 1) El sistema de análisis. Bajo la definición q termodinámico”. Los conceptos básicos de exergía se remontan a los estudios de Carnot en 1824 y Clausius en 1865. Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XIX, cuando independientemente M disponibilidad, energía procesable, trabajo disponible o capacidad de trabajo). L q WQgzchm WQgZCHgZCHE ad δδδ +=⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ++ +=++−++=∆ ) 2 1( ) 2 1() 2 1( 2 22 (1.8) Aplicando La Segunda Ley de la Termodinámica proporciona el balance de entropía del sistema, tal como expresa la ec. (1.9): 5 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético ∆Sg = Sa' − Sa − ∆Q T ≥ 0 (1.9) donde s = p T c dT oo ∫ + a ∂v ∂T ⎛ a ustituyendo la definición de entropía, de la ec. (1.9), en la ec. (1.8) se puede obtener la cantidad de alor que fluye a través del sistema en términos de entropía y temperatura, despejando el término trabajo considerando desde una condición a hasta a', se obtiene que: 1 ⎝ ⎞ ⎠ p dP oo ∫ S c W = ( Ha' − Ha ) − To (Sa' − Sa ) + To g + 2 S (Ca' − Ca ) + g( Za ' − Za ) (1.10)2 2 el proceso es reversible, el término de (To, Sg) es igual a cero y por lo tanto el trabajo será máximo. Esto se define como EXERGÌA de flujo, ecuación (1.11); si B = ( Ha − Ho ) − To (Sa − So ) + 2 1 (Ca − Co ) + g(Za − Zo ) (1.11)2 2 en términos de presión y temperatura, y composición química, se puede escribir como la ecuación (1.12): y a )()( 2 1()1( 22), . oaoaoiii a oo Componentes: [(Térmica más Mecánica)] + Química + Cinética + Potencial de la Exergía o p ZZgCCxVdPdTT TCmB −+−+−Σ−+−= ∫∫ µµ (1.12) ara una sustancia de no flujo o sistemas cerrados, el concepto de entalpía no aplica, considerando sólo la energía interna del sistema, definiendo la exergía como: P )()( 2 )()( oaoaoaooa ZZgCCSSTEUA −+−+−−−= (1.13) lgunos autores como Reistad y Sussman, argumentan que la aportación de 1 22 la componente cinética y otencial de la exergía es casi despreciable respecto a las magnitudes del resto de las componentes, A p 6 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético en el caso de ntrales Térmicas, depuradoras, etc.), donde procesan sustancias de interés industrial, dentro del entorno del proceso. uier proceso que se considere hern, 1980]. El ambiente se considera como libre de irreversibilidades. Todas las irreversibilidades gnificativas estarán localizadas en el interior del sistema o en su entorno inmediato. Las reversibilidades externasse producen en su entorno inmediato. Por ejemplo, el ambiente y el ntorno inmediato de una Central Térmica se muestran en la figura 2. C.T. o de su Gases de Entorno inmediato: Las propiedades Separa del ambiente el entorno Combustión intensivas pueden variar por las inmediato de la central Interacciones con la C.T. Aire -----Frontera de la planta Potencia Las parte que no interactúa con la central puede incluirse en el Ambiente. que se trate de procesos locales (fábricas, Ce se 111...222...111 AAAMMMBBBIIIEEENNNTTTEEE DDDEEE RRREEEFFFEEERRREEENNNCCCIIIAAA (((AAARRR))) El término entorno se utiliza como todo aquello no incluido en el sistema. El término ambiente se aplica a alguna porción del entorno en la cual las propiedades intensivas de cada una de sus fases son uniformes y no cambian significativamente como resultado de cualq [A si ir e AMBIENTE: Las propiedades intensivas de esta parte del entorno no nos afecta por ningún proceso de la entorno inmediato Combustible Salida de agua Entrada de agua de refrigeración de refrigeración Río u otra masa de agua: Figura 2. Sistema: El ambiente y el entorno inmediato de una Central Térmica conforman un sistema Para definir el ambiente se deben hacer consideraciones ideales que permitan el equilibrio interno del sistema, por eso se debe considerar como un sistema simple comprensible de dimensiones enormes y que se mantiene siempre a presión, Po, temperatura, To, homogéneos y uniformes. 7 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético De acuerdo con la idea de que el ambiente tiene mucho que ver con el mundo físico real, los valores e Po y To utilizados para un análisis particular se seleccionarán a partir de las condiciones mbientales típicas (como son 1 atm y 25 °C). Aun que sus propiedades intensivas no cambian, las ades pueden modificarse como resultado de la interacción con otros stemas. i el estado de una cantidad fija de materia en un sistema cerrado, es diferente al del ambiente, n el estado muerto tanto en el sistema cerrado como el ambiente poseen energía, pero el valor de su xergía es cero ya que han alcanzado las misma condiciones (po, To) y no existe la posibilidad de e produ l el ambiente, y por tanto no puede xistir interacción entre ellos. e acuerdo a la definición del ciclo de CARNOT, el máximo trabajo que proporciona un motor reversible trabajando entre las temperaturas T y la ambiental To, ,absorbiendo δQ a una temperatura T, tiene un rendimiento que se expresa com d a propied extensivas del ambiente si 111...222...222 EEESSSTTTAAADDDOOO MMMUUUEEERRRTTTOOO S existirá la posibilidad de producir trabajo. Sin embargo, según vaya al equilibrio con el ambiente, dicha posibilidad disminuirá, desapareciendo por completo cuando alcance el equilibrio uno con el otro. A este estado particular del sistema séle domina estado muerto. E e que s zca un cambio espontáneo en e sistema cerrado o en e 111...333 EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA DDDEEE UUUNNN FFFLLLUUUJJJOOO DDDEEE CCCAAALLLOOORRR D o [Cornelissen, 1995]: %1001 0 =∴−== cc TW ηδη TQδ (1.14) onde el máximo trabajo desarrollado por una fuente de calor es: d WT TQ δδ =⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛ − 01 (1.15) ndo a a o que puede proporcionar un f e calo cuando el am a una temperatura To. A este rmino se denominará exergía de un flujo de calor. Definie lujo d sí la exergí de un flujo de calor como el trabajo máxim r emitido a una temperatura T biente está té 8 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 111...444 EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA DDDEEE UUUNNN FFFLLLUUUJJJOOO DDDEEE TTTRRRAAABBBAAAJJJOOO La definición de trabajo se menciona con la Primera Ley de la Termodinámica, como el trabajo técnico que se intercambia durante el proceso. Así que ahora se puede interpretar dicho tér omo la capacidad de producir trabajo que se ha transformado. Si ∂Wx > 0, es que el sistema realiza trabajo ontra el exterior y por ello, el trabajo intercambiado con el ambiente. (1.16) e la realidad muestra que parte, o todas las capacidades e producir trabajo, exergía, se disipan debido a la existencia de procesos irreversibles. Así que debe xistir un término en el balance de exergía que dé cuenta de la situación. Este término corresponde a T , al se da cuenta de todas las irreversibilidades que ocurren e un tema real. El término To ∂Sg, se denomina, lógicamente, exergía perdida o destruida, Bp=To ∂Sg, y tiene dimensiones de energía. ómo combinación de los balances de masa, energía y entropía, se puede hacer un análisis que re abajo útil; Sea To la temperatura ambiente cuando se realiza el proceso en un sistema abierto, ombinando los balances de energía (1.5) y de entropía (1.7) de la siguiente forma: Balance de Exergía] = [Balance de Energía] – To[Balance de Entropía] (1.17) Se obtiene un nuevo balance exergético [Kotas, 1995], donde: mino c c xWB = 111...555 EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA PPPÉÉÉRRRDDDIIIDDDAAA Si todos los procesos de intercambio de calor y trabajo del sistema fueran reversibles, el balance de exergía en condiciones estacionarias sería conservativo. Ya que, al no existir disipaciones, este balance informaría de que las capacidades de realizar trabajo se han aumentado o disminuido en una cantidad que corresponde al trabajo técnico intercambiado con el exterior. Esta situación es la ideal e inexistente, ya qu d e o ∂Sg r ∂Sg la generación de entropía que sisdentro d ∂ 111...666 BBBAAALLLAAANNNCCCEEE DDDEEE EEEXXXEEERRRGGGÍÍÍAAA C informa de la calidad de las energías intercambiadas y de la capacidad de los sistemas para alizar tr c [ 9 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético ( ) ( ) ssee msThmsTh ∂−−∂− 00 s scec gg ⎠⎝⎠⎝ 22 e m gz m v ∂⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ −∂⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ + 2 ( )[ ]sTuMd 0− s sc e ec m g gzm g gz ∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −∂⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + 22 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + cg vMd 2 2 ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ −∂+ 0 1 T Q gx sTW ∂−∂− 0 ⎞⎛ T = ⎥ ⎦ ⎢ ⎣ ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ + cg Md 2 ⎤⎡ (1.18) ⎞⎛ gz lguno , R, que e defin piedades rmodinámicas que toma el sistema cuando se encuentra en equilibrio térmico y mecánico con el ∂me = ∂ms = 0 y M = cte., Ma = A y Mv = V = volumen de control demás, en este caso se puede considerar que el volumen de control Vc es variable (más no la masa), e tal manera que el término ∂Wx muestra, tanto el trabajo de expansión del volumen de control contra A s autores presentan la definición del balance de exergía desde la función de Darrieus e como: R = H – To S, (siendo: ro = ho – Toso, dondeho y so son las pros te ambiente a To y po), llegando a la misma expresión de la ec. (1.18) Para determinar el balance de exergía de un sistema cerrado, conviene particularizar las condiciones de sistema cerrado donde: A d el ambiente, como los trabajos de movimiento de un eje, resistencia eléctrica, etc., introducidos en el sistema. De esta manera la ecuación (1.18) queda únicamente para el sistema cerrado en: ( )⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +−=∂−∂−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −∂ gzvMddVcpdAsTW T T Q gx 2 1 2 00 0 al exterior que puede obtenerse del sistema cuando se expande, ariando su volumen de control, contra la atmósfera será: (1.19) Por otra parte, el trabajo neto v dVcPWW xexterioralneto 0−∂=∂ (1.20) ya que Po dVc es el trabajo de compresión de la atmósfera a Po de presión. Por tanto, la ecuación (1.19) puede rescribirse como: ( )⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +=∂−∂−⎟ ⎞ ⎜ ⎛ −∂ T Q 1 2 0 ⎠⎝ gzvMddAsTW T gneto 20 (1.21) 10 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético E uevo ción A, que es la apacidad de realizar trabajo (exergía), que tiene un sistema cerrado, ya que cada uno de los términos ue acompañan a dA en el balance (1.19) ha sido interpretado como una capacidad de realizar trabajo TTTOOODDDOOOSSS DDDEEE AAANNNÁÁÁLLLIIISSSIIISSS 1...777...111 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO CCCOOONNNVVVEEENNNCCCIIIOOONNNAAALLL s el más utilizado y definitivamente incompleto. Se basa en la definición y utilización extensiva de adios, cocientes, rendimientos, etc., cuyos valores más comunes son comprendidos sólo por el iento y cada equipo es tratado stalación a la que pertenece. Sistema abierto (Volumen de control) ipo (Masa a través del volumen de control) Figura 3. Masa de control: Dos formas de realizar el análisis termodinámico: a masa de control a través del equipo na región del espacio llamado volumen de control Ambas maneras deben obtener idénticos resultados, ya que el proceso físico es el mismo ste n balance de exergía para sistemas cerrados permite interpretar la fun c q o exergía intercambiados. La función A = (U – Uo) - To(S – So) + Po(V – Vo) se denominará “exergía de no flujo” mencionando el hecho de que es la exergía del sistema considerado como cerrado, es decir, que su masa total permanece constante y no exista flujo de materia que modifique esa masa. 111...777 DDDEEEFFFIIINNNIIICCCIIIÓÓÓNNN DDDEEE LLLOOOSSS MMMÉÉÉ La información que proporciona la Termodinámica a través de la Primera y Segunda Ley, junto con el de conservación de masa, puede ser y es utilizada, tanto en el diseño de instalaciones no existentes, como el diagnóstico en el uso eficaz de la energía de instalaciones existentes. A continuación, se expondrán distintos métodos energéticos de instalaciones industriales. 11 E r analista o fabricante. Donde cada equipo tiene su definición de rendim independientemente sin estudiar ni valorar su peso en el conjunto de la in Equ Sistema cerrado 1ro.- Siguiendo a l 2do.- Definiendo u 11 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético La gran abundancia de datos energéticos (entalpías, capacidades caloríficas, potencias caloríficas de hace uso directo de la primera Ley de la ermodinámica y la Segunda Ley de la Termodinámica. Sin embargo, desde un punto de vista ráctic , la entropía es una función difícil de asimilar a nivel cuantitativo. Por otra parte, hay una g la de s de interés industrial, que normalmente son mezclas de ran variedad de sustancias puras, tanto gaseosas como líquidas o sólidas. la energía y la revolución tecnológica de los icroordenadores, la situación ha cambiado básicamente. Ahora sí resulta rentable investigar en el ejor aprovechamiento de la energía, a través del análisis exergético que es la base sobre la que se menta la Termoeconomía o Ciencia de los Ahorros / Economías de la E a. combustibles, etc.) y un conocimiento preciso en los balances de materia y energía, podrían ser sufrientes para un análisis basado en este método. 111...777...222 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO EEENNNTTTRRRÓÓÓPPPIIICCCOOO ermodinámicamente es el más adecuado, pues T T p o ran fal datos en trópicos para sustancia g En éste método se pueden incluir el uso de eficiencias isoentrópicas, o factores de Carnot, etc. Para la caracterización y análisis de procesos industriales. 111...777...333 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO Es equivalente al anterior, pero con la ventaja de que maneja unidades de exergía. Sin embargo, su álculo es muy complejo porque depende no sólo de las condiciones propias del flujo energético, sino c también de las condiciones ambientales que existen en el momento de la medición. Hasta hace unos años resultaba muy costosa la auditoria energética de un proceso de producción, y pocas industrias podían realizarlo. Además no resultaba muy necesario en una sociedad espilfarradora de recursos, con la crisis de d m m funda nergí Desafortunadamente, la falta de datos exergéticos es un serio inconveniente en este análisis. Es necesario investigar el contenido y el valor exergético de muchos productos industriales (se entiende como valor exergético de un bien como su contenido energético o exergía dividido por el rendimiento exergético del proceso industrial que lo produce). exergetico ExergíaexergeticoValor η = (1.22) El análisis exergético permite aclarar la integración de procesos y esto sirve, tanto para el diseño de n plant o para la mejora de los ya existentes. Pero los equipos necesarios para llevar a cabo las recomenda ones del análisis exergético muchas veces están lejos de uevas as o complejos energéticos, com ci 12 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético la realidad industrial. Así, es necesario el uso intensivo de sistemas de cogeneración, bomba de calor, cuperador de calor más grande y mejor diseñado, automatización de procesos. mía etc., acarrean problemas interesantes que se han resuelto. Muchos utores, han proporcionado las soluciones buscando una respuesta en la Segunda Ley de la ermodinámica. Tantos otros métodos diferentes se han propuesto [Reistad, 1980], sin embargo, el método expuesto está fuera de la vista de la termodinámica, y depende de las consideraciones económicas, existiendo una transición claramente allí entre los dos campos. in embargo una hipótesis de esta naturaleza trata de dar toda la información necesaria para calcular re En definitiva, hoy el método exergético es una herramienta aún compleja pero cuando los procesos están medianamente optimizados, la aplicación de este análisis resulta económicamente factible [Valero, 1995]. 111...888 EEEXXXEEERRRGGGOOOEEECCCOOONNNOOOMMMÍÍÍAAA La optimización y síntesis de los sistemas industriales, la escena del precio, el argumento clásico sobre el criterio exergético y de la entalpía de la asignación del costo, la conexión inequívoca entre ermodinámica y EconoT a T S los costos interesados con excepción del precio de combustibles que entran en el sistema y pago por mantenimiento (costos). La idea importante de la eficiencia exergética de los procesos (o sub procesos) esta dadapor, ecombustibldeladaproporcionExergía útilesproductosenExería =η (1.23) e aquí se puede observar que la inversa de la eficiencia, es el consumo de la planta que causa un n reglas predeterminadas.), obteniendo una teoría general ara el cálculo de costos exergéticos de los productos finales o intermedios [Valero, 1995]. d gasto de exergía. Las ideas conectadas de: El Consumo → el Gasto → el Costo, permiten evaluar el gasto exergético a lo largo de un sistema (co p 111...888...111 TTTEEEOOORRRÍÍÍAAA DDDEEELLL CCCOOOSSSTTTOOO EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO Costo exergético de un flujo físico B* se define como “la cantidad de exergía de recursos iniciales para producir un producto” [Valero, 1985]: Dado un sistema con los límites prefijados y un nivel de agregación qué especifica sus flujos y subsistemas con la eficiencias prescritas, definiendo el costo exergético o gasto de exergía (B*) de un flujo físico de ese sistema, como la cantidad de exergía por unidad de tiempo requerido para producir este flujo. B* como B, es una función de termodinámica y su definición encierra, o se 13 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético re laciona estrechamente a otro qué es común en la literatura, como el impacto en el combustible o el uen funcionamiento de los materiales, etc. [Lozano, 1993]. or ejem 1, La antidad de exergía por unidad de tiempo para producir este producto, P*1, será obviamente la xergía del combustible, F1. Sí este sistema es un componente de un sistema más grande, la exergía el producto, F , podrían ser un producto, P , (P = F ), de un subsistema simple previo 0, ahora, el en un e en este caso simple F1 F2 = P1 P2 2 F s los procesos están encadenados, el recurso que se utiliza en un proceso, ha sido producto de algún otro proceso que se a su vez ha consumido recursos que Don roducir ese gasto. Así, se obtiene F*o = Fo. Allí subsistema definido, P*1 = F*1, P*o = F*o b P plo, un sistema con un solo recurso de exergía, F1, y un solo producto de exergía P c e d 1 o o 1 gasto exergético involucra en producción, P1 diciendo P*1, será el de combustible de exergía subsistema 0, es decir Fo. Así, se puede obtener P*1 = F*1 y P*o = Fo dónd *1 = P*o. (Figura 4). F 1 igura 4 Sistema secuencial: Todo son productos de productos anteriores de se puede obtener varias conclusiones de este análisis: Que el gasto exergético de un flujo depende de los límites del sistema, ningún gasto exergético es absoluto de un flujo. Cuando un flujo cruza los límites que entran en el sistema, su gasto exergético es igual a su exergía porque ninguna exergía se ha expendido para p existe un Gasto Exergético o balance de costo Exergético, para cada uno y cada Valero, Lozano y Muños, 1989, presentan y proponen la Teoría del Costo exergético para la determinación de los costos exergéticos B* de un procesos basado en los balances de costos ∑∑ == = s i i e i i BB 11 ** y la definición de una matriz mxm para resolución matemática A x B* = 0 donde B* es el vector de costo exergético, de dimensión m, que es el número de sus flujos físicos. 14 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 111...999 AAANNNÁÁÁLLLIIISSSIIISSS EEENNNEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO YYY EEEXXXEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCOOO DDDEEE GGGEEENNNEEERRRAAADDDOOORRREEESSS DDDEEE VVVAAAPPPOOORRR El indicador mas claro del comportamiento de un Generador de Vapor es su rendimiento, el cual puede ser energético o exergético. El análisis exergético en los Generadores de Vapor no es un procedimiento convencional en Centrales Termoeléctricas, no obstante actualmente las plantas aplican el código de la ASME (The American Society of Mechanical Engineering) que da dos formas ara el cálculo de eficiencia (energética) en un Generador de Vapor, una extensa y otra condensada, unque ambos parten de la siguiente ecuación que corresponde al balance de energía del conjunto de instalación: p a la %100 min , .. =×= ecombustiblelporistradosuCalor purgaporperdidoyorecel alentad ónatemperacideaguaalcedidoCalor VGEficiencia (1.24) 1...999...111 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOOSSS PPPAAARRRAAA LLLAAA DDDEEETTTEEERRRMMMIIINNNAAACCCIIIÓÓÓNNN DDDEEE LLLAAA EEEFFFIIICCCIIIEEENNNCCCIIIAAA cia del Generador de Vapor, por sencillez. Consistiendo esencialmente en encontrar la cantidad de calor comunicada al agua por el enerador de Vapor, así como la cantidad de calor suministrada al mismo Generador de Vapor. 11 MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO DDDIIIRRREEECCCTTTOOO Este método es el comúnmente empleado para determinar la eficien su G ( ) ecombustibldec generadovaporenergía pérdidas =%η (1.25)alor par gua y los termómetros manómetros utilizados se encuentran en la misma forma. La eficiencia se encuentra dividiendo el alor cedido al agua entre el calor suministrado al Generador de Vapor. Esté método que a priori resulta ene dos graves inconvenientes: a que esté método resulte lo bastante exacto es necesario que los medidores de flujos de vapor, combustible se encuentren bien calibrados, independientemente que tambiéna y c sencillo y rápido de aplicar, ti 15 Fundamentos y conceptos básicos para el análisis exergético 1) La medida precisa del flujo de combustible líquido (sobretodo si se trata de un combustible sólido pues no hay medidores másicos) y de los flujos de vapor plantean grandes inconvenientes. 2) Aunque proporciona el rendimiento energético y por tanto la magnitud global de las pérdidas, no informa de cómo se distribuyen entre los distintos conceptos. MMM TTTOOODDDOOO IIINNNDDDIIIRRREEECCCTTTOOO ÉÉÉ Comúnmente los cálculos de la eficiencia energética de los Generadores de Vapor se realizan mediante este método. Se asume que toda la energía presente en el combustible se transfiere al fluido térmico salvo aquella que se pierde en los distintos conceptos. Utilizando este sistema, el rendimiento energético se puede calcular mediante la expresión: ( )( ) 100% ×= PC − ∑ S pérdidasPCS (1.26) El inconveniente de este método radica en cómo evaluar las pérdidas. Un gran conjunto de datos suficientes para resolver los balances de materia y energía del conjunto de la instalación, lo cual, implica mas personal e instrumentación, así como la realización de un proceso de cálculos más laboriosos. No obstante, las ventajas de precisión en la evaluación de las pérdidas y de la asignación cuantitativa de estas a conceptos y causas determinadas, lo hacen más adecuado que el método directo para realizar diagnóstico de la operación. Después de haber discutido la termodinámica en el siguiente capítulo se discute detalladamente los métodos para el cálculo de la eficiencia de los Generadores de Vapor; siendo estos el método directo y el indirecto energéticoη ( ) ∑−= pérdidaspérdidas 100%η 16 222 EEEFFFIIICCCIIIEEENNNCCCIIIAAA EEENNNEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCAAA DDDEEE GGGEEENNNEEERRRAAADDDOOORRREEESSS DDDEEE VVVAAPPOOORRR AP (((PPPÉÉÉRRRDDDIIIDDDAAASSS SSSEEEPPPAAARRRAAADDDAAASSS YYY MMMÉÉÉTTTOOODDDOOO DDDIIIRRREEECCCTTTOOO))) s innegable la enorme importancia que tienen los Generadores de Vapor en aquellas industrias que las utilizan, dado que con frecuencia estos equipos son los mayores consumidores de energía en el conjunto de la instalación. Además, como se verá en este capítulo, en los Generadores de Vapor tienen lugar enormes pérdidas de energía inherentea su proceso, junto con pérdidas de energía debidos a mal manejo o control de los mismos que puede derivarse de factores humanos, de diseño y mantenimiento. E En este capítulo se presenta en forma detallada las bases del cálculo para el análisis energético de los Generadores de Vapor, haciendo hincapié no sólo en cómo calcular los rendimientos globales [ASME PTC – 4.1, 1979], sino aportando material suficiente como para resolver los balances de materia y energía, estimando con que magnitud y en que conceptos se distribuye el total de las pérdidas. Eficiencia energética de Generadores de Vapor 222...111 OOOPPEEERRRAAACCCIIIÓÓÓNNN YYY RRREEENNNDDDIIIMMMIIEEENNNTTTOOO P I La eficiencia según se aplica a los Generadores de Vapor, permite conocer el índice de aprovechamiento del combustible en términos de vapor generado, por ejemplo 76.5%, indica que se transformó en energía (entalpía) de vapor. Sin embargo a menudo se desea saber en qué consiste el otro 23.5% de pérdidas, individualmente, para ver si están cada una de ellas dentro de lo normal, y la posibilidad de disminuirlas variando la operación y mejorando el mantenimiento, etc. La subdivisión de las pérdidas más aceptada es la del reglamento de pruebas de la ASME (The American Society of Mechanical Engineering) [ASME PTC – 4.1, 1979], en el que las pérdidas se dividen en siete grupos como sigue: I. Elevación de temperatura de los gases de la chimenea, de la atmosférica a la de los tubos de la caldera. II. En evaporar la humedad del combustible y recalentarla hasta la temperatura que tienen los gases de los tubos de la caldera. III. Formación del vapor de agua del H2 libre en el combustible y su precalentamiento de este a la temperatura de los gases de la chimenea. IV. Por no lograr obtener el calor total de la composición del Carbono y el Oxígeno, como lo indica la presencia de algo de CO en los productos. V. Pérdida de potencia calorífica, representada por la presencia de combustible sin quemar en los desperdicios de la ceniza. VI. Transmisión de calor de la instalación del Generador de Vapor a la atmósfera, principalmente por el proceso de radiación, con algo de convección inducida. VII. Un grupo de compuestos, de pequeña magnitud relativa, que frecuentemente no se pueden medir directamente. Se designan con el nombre de pérdidas incontroladas, y que consisten en el recalentamiento de la humedad del aire usado en el combustible, el calor sensible de las cenizas, el carbón libre que flota en los productos gaseosos de la combustión y pequeñas cantidades por otros conceptos. Cuando las pruebas demuestran que una de estas pérdidas es excesiva, entonces, el conocimiento de las fuentes de las pérdidas habilita al operador para descubrir cuál es la causa, entre los múltiples factores que constituye la pérdida total del Generador de Vapor. La tabla 1, es un resumen de causas más comunes de pérdidas térmicas en relación con los Generadores de Vapor. Aunque no se describe en detalle todo lo necesario para la prueba de la eficiencia de un Generador de Vapor, en la figura 5 se muestran los requisitos mínimos que se necesitan para realizar dicha prueba, cuyos resultados vayan a garantizar al Ingeniero profesionalmente la colocación de los instrumentos que deberán presentarse y determinarse con los límites de precisión para el procedimiento general que va a seguirse y donde deben concentrarse las partes interesadas. 18 Eficiencia energética de Generadores de Vapor Tabla 1: Las causas más comunes de las pérdidas térmicas en relación con los Generadores de Vapor Memorias del IX taller industrial de capacitación; CALDERAS Y RECIPIENTES APRESIÓN; Exp. Industrial; México 1996. A. Pérdidas debidas a la humedad del Carbón a. Humedecimiento excesivo del Carbón antes de quemarlo b. Elevada absorción de humedad del Carbón en los patios de almacenamiento B. Pérdidas debidas a la humedad formada por la combustión del Hidrógeno, que no se puede reducir en un combustible determinado. Esta pérdida es mayor para el aceite combustible y para el gas, que para el Carbón C. Pérdida por el calor que se llevan los gases secos de la chimenea a. Exceso de aire elevado, descubierto por el bajo contenido de CO2 en el gas de los tubos de los Generadores de Vapor b. Alta temperatura de los gases de los tubos del Generadores de Vapor 1. Superficies de calefacción sucias 2. Mala circulación del agua. Incrustaciones del lado del agua 3. Porciones estancadas de gas. Tabiques desviadores agujerados o ineficaces 4. Velocidad de los gases muy alta D. Pérdidas debidas a la combustión incompleta a. Alimentación de aire insuficiente b. Capa de combustible en malas condiciones c. Enfriamiento del hogar en las bajas intensidades de la combustión d. Mala instalación del Generadores de Vapor E. Pérdidas de combustible que se va al cenicero a. La parrilla o alimentador no son adecuados para la clase de combustible que se usa b. Combustión de combustible en mayor cantidad que la que puede quemar el equipo c. Parrillas volteadas o capas de combustible atizadas con demasiada frecuencia d. La temperatura del hogar mayor que la temperatura de fusión de la ceniza F. Pérdidas por radiación y convección del Generadores de Vapor y su instalación a. Tambores de la caldera sin aislar b. Paredes de la montadura muy delgadas o de mala calidad c. Refractarios del hogar que necesitan reparación o renovación G. Pérdidas debidas a la humedad del aire a. Aire cargado de humedad como de un chorro de vapor b. Exceso de aire elevado en los días de mucha humedad. Esta pérdida es pequeña y frecuentemente se incluye en otras pérdidas pequeñas, que muchas veces no se toman en cuenta, como las del hollín, o ceniza en el gas de las chimeneas, calor en las cenizas 222...222 DDDEEESSSCCCRRRIIIPPPCCCIIIÓÓÓNNN DDDEEELLL AAAIIIRRREEE,,, CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE YYY GGGAAASSSEEESSS El sistema aire-gases de un generador de vapor cubre desde el ingreso del aire hasta su salida en forma de gases de combustión en chimenea. Lo que define fuertemente durante este proceso el aprovechamiento (rendimiento) del calor del combustible. Para entender la definición de eficiencia energética, (por pérdidas separadas), se deben analizar previamente las características del aire, el combustible, los gases y los residuos de los sólidos no quemados de la combustión. 19 Eficiencia energética de Generadores de Vapor Contador de orificio vapor Calorímetro para vapor Manera de alimentar el carbón Gas de la combustión a mano durante las pruebas Agua Báscula del sistema Otra manera de de conducción del colocar el punto Pares termoeléctricos Carbón de muestreo o termómetrosAbastecimiento del carbón Manómetro Muestreador de Carbón Alimentación Aparato Interruptor ORSAT Contador Ceniza Peso Muestra de vapor de carbón Cenicero Ducto Figura 5. Situación de los puntos del Generador de Vapor con carbón: Requisitos mínimos para hacer una prueba a un Generador de Vapor (a un que es un Generador de Vapor usando Carbón, solamente cambiaria el suministro de combustible) 222...222...111 AAAIIIRRREEE En base molar o de volumen (Tabla 2), el aire seco esta compuesto por 20.95 por ciento de Oxígeno, 78.09 por ciento de Nitrógeno, 0.93 por ciento de Argón y 0.03 por ciento de Dióxido de Carbonó, y pequeñas cantidades de Helio, Neón e Hidrógeno. En el análisis de los procesos de combustión, el Argón en el aire se trata como Nitrógeno, en tanto que los gases que existen en cantidades muy pequeñas se descartan. Tabla 2. Composición del Aire Fracción volumétrica Peso molar Kg / kg mol Aire Nitrógeno 0.7809 28.016 21.878 Oxígeno 0.2095 32.000 6.704 Argón 0.0930 39.944 0.371 Dióxido de Carbono 0.0030 44.010 0.013 Peso molecular del aire 28.966 Peso % Nitrógeno 79.01 Oxígeno 20.99 20 Eficiencia energética de Generadores de Vapor Por consiguiente cada mol de Oxígeno que entra a una Cámara de Combustión será acompañado por 79.01 ÷ 20.99 = 3.76 mol de Nitrógeno [Huang, 1994]. Es decir, 1 kg mol O2 + 3.76 kg mol N2 = 4.76 kg mol Aire 222...222...222 CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE Cualquier material que puede quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de Hidrógeno y Carbono. Reciben el nombre de combustibles Hidrocarburos y se designan por la fórmula general Cn Hm. Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos ejemplos son el Carbón, la Gasolina y el Gas Natural. El principal constituyente del Carbón Mineral es el Carbón; también contiene cantidades variables de Oxígeno, Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre, Humedad y Cenizas. Es difícil dar un análisis de la masa exacta del Carbón Mineral, puesto que su composición varía de un área geográfica a otra e incluso dentro de la misma región. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos líquidos son una mezcla de numerosos hidrocarburos y se obtienen del petróleo crudo mediante la destilación (figura 6), los hidrocarburos más volátiles se vaporizan primero, formando lo que se conoce como gasolina. Los combustibles obtenidos por destilación menos volátiles son el Queroseno, el Diesel y el Combustóleo. La composición de un combustible particular depende de la fuente del petróleo crudo, así como de la refinería. Los hidrocarburos gaseosos se obtienen de los pozos de Gas Natural o se producen en ciertos procesos químicos. El gas natural consiste habitualmente en una mezcla de varios hidrocarburos diferentes cuyo constituyente mayoritario es el metano, CH4. La composición de los combustibles gaseosos se da habitualmente en función de las fracciones molares. Los hidrocarburos gaseosos y líquidos se pueden sintetizar a partir de Carbón, de arenas asfálticas y de esquitos bituminosos; [Gabrieliantz, 1991]. Gasolina Petróleo Queroseno crudo Combustible diesel Combustóleo Figura 6. Destilación del Petróleo: La mayor parte de los combustibles hidrocarburos se obtienen del petróleo crudo por destilación 21 Eficiencia energética de Generadores de Vapor Para el estudio se tienen los datos del Gas Natural (proporcionado por la Central Termoeléctrica Valle de México). Tabla 3. Análisis Volumétrico del Gas Natural en la CT Valle de México (directo de medición) COMPONENTES % VOLUMEN Metano CH4 91.2056 Etano C2H6 7.9808 Propano C3H8 0.7249 n Butano C4H10 0.0460 Iso butano C4H10 0.0427 Humedad %0.0007 Densidad 0.5900 De los datos de la Tabla 3 se puede determinar el % de peso del Gas natural, a partir del análisis del % de volumen, de la siguiente forma: ∑ × = mezclaladesmolecularepesosde molecularpesovolumenpeso %% (2.1) Tabla 3a. Factor de peso Molecular del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México % VOLUMEN PESO MOLECULAR Metano CH4 91.2056 X 16.041 = 14.63 Etano C2H6 7.9808 X 30.067 = 2.39 Propano C3H8 0.7249 X 44.092 = 0.31 n Butano C4H10 0.046 X 58.118 = 0.02 Iso butano C4H10 0.0427 X 58.118 = 0.02 Σ Pesos Moleculares de la mezcla = 17.40 Tabla 3b. % de Peso del Gas Natural en la Central Termoeléctrica Valle de México Metano CH4 = 84.07 Etano C2H6 = 13.78 Propano C3H8 = 1.83 n Butano C4H10 = 0.15 Iso butano C4H10 = 0.14 Total = 100 % Peso 22 Eficiencia energética de Generadores de Vapor El poder calorífico del combustible se calcula en kJ / m3 y kJ / kg. Teniendo los valores de tablas de poderes caloríficos del ambiente∗, se tiene que los kJ / m3 y los kJ / kg, correspondientes a 20 °C y 1 Kg / cm2 de presión para el poder calorífico alto o para el poder calorífico bajo. Habiéndose obtenido esos valores en el caso de los kJ / m3 se multiplica por el % volumen y en el caso de los kJ / kg, se multiplica por el % de peso obteniéndose parcialmente para cada elemento de la mezcla y la suma de ellos dará los poderes caloríficos altos y bajo en kJ / m3 y kJ / kg. Para encontrar el poder calorífico del combustible en kJ/m3 se hace: Tabla 3c. Poder Calorífico Volumétrico por sustancia del Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México VALOR DE COMBUSTIÓN PODER CALORÍFICO COMB. EN kJ/m3 % VALOR ALTO BAJO ALTO BAJO Metano 91.2056 37743,27 34017,3757 34423,97 31025,75CH4 Etano C2H6 7.9808 66767,95 61141,8549 5328,616 4879,609 Propano C3H8 0.7249 96500,55 88862,4765 699,5325 644,1641 n Butano C4H10 0.0460 125562,5 115986,9557 57,75875 53,354 Iso butano C4H10 0.0427 125301,7 115688,8845 53,50382 49,39915 TOTAL 40563,38 36652,28 para encontrar el poder calorífico del combustible en kJ/kg se tiene: Tabla 3d. Poder Calorífico Másico por sustancia del Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México VALOR DE COMBUSTIÓN PODER CALORÍFICO COMB. EN kJ/kg % PESO ALTO BAJO ALTO BAJO Metano CH4 84.077 55542,554 50055,520 46694,625 42081,675 Etano C2H6 13.789 51916,32 47524,8327164,452 6558,426 Propano C3H8 1.836 50383,486 46389,744 927,056 853,571 n Butano C4H10 0.153 49562,408 45775,680 74,343 68,663 Iso butano C4H10 0.142 49443,782 45657,054 69,221 63,919 TOTAL 54929,698 49626,257 Para el cálculo de los constituyentes del combustible; el procedimiento para el por ciento en peso de los elementos se obtienen de la división del producto del por ciento en peso del compuesto por el peso molecular del elemento entre el peso molecular del compuesto. ∗ Anexo 2; Tabla A1 (Poderes caloríficos en el ambiente y el entorno inmediato de una Central Térmica) 23 Eficiencia energética de Generadores de Vapor Tabla 3e. Porcentaje de peso en base Carbón e Hidrógeno para el Gas Natura en la Central Termoeléctrica Valle de México % PESO PESO MOLECULAR (Compuesto) % PESO (Carbón) % PESO (Hidrógeno) Metano CH4 84.077 16.041 62.949 21.133 Etano C2H6 13.789 30.067 11.016 2.773 Propano C3H8 1.836 44.092 1.500 0.335 n Butano C4H10 0.153 58.118 0.126 0.026 Iso butano C4H10 0.142 58.118 0.117 0.024 TOTAL 75.711 24.294 222...222...333 SSSÓÓÓLLLIIIDDDOOOSSS NNNOOO QQQUUUEEEMMMAAADDDOOOSSS DDDEEELLL CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIBBBLLLEEE Los sólidos no quemados son partículas sólidas (carbón sinterizado, silicios, calcio, etc.) que no participan en la combustión, para el balance de cenizas se supone que la fracción (α) de ellas abandona al Generador de Vapor como cenizas volátiles, mientras que la fracción 1-α restante se retira como escoria, el por ciento % en peso de carbonó de los sólidos no quemados en los residuos será de: U = αU1 + (1 - α) U2 (2.2) donde: U1 y U2 son las fracciones de carbono de los sólidos no quemados en las cenizas volátiles y escorias, respectivamente. La norma ASME [ASME PTC – 4.1, 1979] indica que el valor de α (cenizas volátiles) suele estar comprendido entre 0.7 y 0.9. Puede utilizarse el valor promedio de 0.8 si no se dispone de valores experimentales para este parámetro. Los sólidos no quemados vi, expresados en kg de Carbono por kg de combustible procesado, serán de: vi = z [U / (1 – U)] (2.3) mientras expresados en moles de carbono los sólidos no quemados por mol de carbono, se tendrá: vi = V / C (2.4) teniendo en cuenta que al quemar Gas Natural (Caso Central Termoeléctrica Valle de México) estos valores se harán nulos y, no se entraran en más detalles de los mismos. 24 Eficiencia energética de Generadores de Vapor 222...222...444 GGGAAASSSEEESSS DDDEEE CCCOOOMMMBBBUUUSSSTTTIIIÓÓÓNNN La mayor parte de los cálculos de la eficiencia energética de los Generadores de Vapor se realizan mediante este método. Se asume que toda la energía presente en el combustible se transfiere al fluido térmico salvo aquella que se pierde en los distintos conceptos. Todas las pérdidas se evalúan por unidad de masa del combustible. Para utilizar el método indirecto (o Método de Pérdidas Separadas) es necesario calcular el peso del gas seco por kilogramo de combustible quemado entrando al precalentador de aire y el peso de aire seco suministrado por kilogramo de combustible. Para el cálculo del peso del gas seco de combustible quemado entrando al precalentador de aire se procede de la manera siguiente: Para determinar la ecuación, supóngase que en un kilogramo de gas seco, de los pesos contenidos de Bióxido de Carbono, Monóxido de Carbono, Oxígeno y Nitrógeno son CO2s, COs, O2s, N2s respectivamente. En vista de que el peso molecular del Bióxido de Carbono es 44, el del Monóxido de Carbón es 28 y del Carbono 12, la cantidad de Carbón contenida en el Bióxido de Carbono será 12CO2s/44 = 3CO2s/11; la cantidad de Carbón contenida en el Monóxido de Carbono será 12COs /28 = 3/7 COs. Los kilogramos de gases por kilogramo de Carbón serán entonces: WGS kilogramo de carbón = 73113 222 ss ssss COCO NOCOCO + +++ (2.5) ara un kilogramo de cada uno de los componentes se tiene p M TPV 3.8314/ = ; lo que permite determinar: MMMP TV 385 1447.14 15445281544 = × × = × × = Carbono 2 Carbono Para el Oxígeno O2 M = 32 ; V = 385 / 32 Para el Nitrógeno N2 M = 28 ; V = 385 / 28 inversa de estos valores serán los pesos específicos de los componentes y si estos se expresan en % de volumen se tiene: Para el Bióxido de Para el Monóxido de CO M = 44 ; V = 385 / 44 CO M = 28 ; V = 385 / 28 la sCO CO 2 2 44 = × 385 ; sCOCO =× 385 28 sO O 2 2 385 32 = × ; sN N 2 2 385 28 = × ; 25 Eficiencia energética de Generadores de Vapor sustituyendo en la ecuación (2.5) se tiene: WGS kilogramo de carbón 7 283 11 443 28322844 2 222 COCO NOCOCO × + × +++ = , dividiendo entre cuatro tenemos: WGS kilogramo de carbón )(3 2 COCO + )(7811 22" NCOOCO +++= , ntonces el peso de los gases secos por kilogramo de combustible será: e × + )(3 2 COCO +++ = )(7811 222 NCOOCOWGS kg de carbón / kg de combustible (2.6) ara encontrar el peso de aire seco suministrado para la combustión hay que añadir a WGS el peso del xígeno em a quemar el Hidrógeno; la reacción q de combustión de Hidrógeno es: 2H2 + 2 2 2 x 2 x 1.008 + 32 36.032 ntra que para formar agua, un kilogramo de Hidrógeno consume 32/4.032 = 7.936 ilogramos de Oxígeno, por lo que la ecuación para calcular el peso de aire seco por kilogramo de ombustible es: (2.6a) ...333 DDDEEESSSCCCRRRIIIPPPCCCIIIÓÓÓNNN EEENNNEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCAAA efinición de poder calorífico inferior del ombustible. El segundo, lo es con el poder calorífic o, con el ambiente de referen p O ple do en uímica O 2H O 4.032 + 32 36.032 e aquí se encued k c CHWGSWAS −+= 2936.7 222 Una vez definidas las propiedades aire-gases-combustible, se puede plantear las pérdidas separadas por distintos conceptos. Previamente debe definirse la aportación energética de cada sustancia participante y el estado de referencia (energía nula) al que se referirá el valor numérico de los flujos de energía. Este estado debe recoger necesariamente como una de las variables que lo definen a la temperatura ambiente. En la tabla 4, se presentan tres posibles estados de referencia para el cálculo de la energía de los distintos lujos de materia. El primero de ellos es coherente con la df c o superior; y el últim cia (AR utilizado p exergías. ) que será ara el cálculo de 26 Eficiencia energética de Generadores de Vapor culo de energías ente) Tabla 4. Estado de referencia para el cál Presión P0 (ambi Temperatura sición H2O(l), SO2(g) (II) T0 (ambiente) Compo Cenizas CO2(g), N2(g) y H2O(g), SO2(g) (I) H2O(l), CaCO3(s), CaSO4, 2H2O(s) (III) La energía proveniente de combustión en apoyo de un proceso de trabajo (y de calentamiento) es la base para determinar la eficiencia de ese proceso termodinámico. La medida se toma como el producto de la cantidad de combustible consumida, durante el proceso, y su poder calorífico. Para los cálculos de érdidas de energía, se suelen referir comúnmente a la poder calorífico superior (PCS) y a la aportación nergética de aire, combustible y gases [Moring, 1996]. ...333...111 AAAIIIRRREEE ara el cálculo de la energía correspondiente a los flujos de aire se utilizara el procedimiento descrito, endo este para considerar el exceso de aire. % exceso de aire p e 222 P si )2(265.0 )2(100 22 2 COON COO −− + = (2.7) n se obtiene el porcentaje de aire introducido en exceso, a partir del análisis volumétrico de gases cos de combustión antes del precalentador de aire. Una deducción de la ecuación se puede describir omo: ) 1 mol de CO necesita 1/2 mol de O2 para que se efectué la combustión completa; por tanto el b) men es de 21% de O2 y 79% de N2, por lo que O2 = 21 / 79 N2 = 0.265 N2. Este término 0.265
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