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Calculadores energéticos y artículos sobre el uso de la energía, su eficiencia e impacto sobre el medio ambente. Aplicaciones prácticas Biblioteca - ISSN 2326-6880 |
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Objetivo de este procesador: Descripción técnica. Estimar la eficiencia energética de operación de equipos Generadores de Vapor o Calderas Balance energético de estos equipos energéticos. Las principales Fuentes de Pérdidas en un Generador de Vapor o Caldera. Formulario de entrada de Datos. Corrientes energéticas que entran al Generador de Vapor Panel de Salida Formulario de Registro de Datos para las corrientes que salen del Generador de Vapor. Procedimiento a seguir para registrar la información en los formularios Resumen de los Balances que realice el usuario Descripción técnica. Este Calculador realiza el análisis de la eficiencia energética de un generador de vapor y la cantidad de gas contaminante CO2 que se emite a la atmósfera, producto de la utilización de los combustibles fósiles. El resultado del procesador de cálculo ofrece un reporte total. Dentro del reporte se cuantifican y clasifican las pérdidas. Se basa en el procedimiento típico empleado en la industria para la realización de un Balance Energético en el Generador de Vapor o Caldera, tanto de tubos y paredes de agua cómo las de tubos de fuego. Para una mayor información sobre las bases y el procedimiento para operar este Calculador, consulte el documento titulado Generadores de Vapor. Balance Energético, publicado en nuestra web en Libre Acceso y listo para descargar. En este balance se toman en cuenta todas las corrientes típicas que entran y las que salen del Generador de Vapor, por lo que hay que caracterizar cada una de ellas en cantidad y propiedades. El análisis energético o balance térmico de los sobrecalentadores de vapor, precalentamiento del agua y del aire primario que se alimentan, planta de precalentamiento y filtrado del combustible, etc, están fuera del alcance de este procesador. En aquellos casos que no se disponga de toda la información que exige este Calculador_Energético para efectuar el procesamiento de los datos y resolver el Balance, el usuario podrá acceder gratuitamente a varios procesadores de cálculo auxiliares, que tienen la función de reportar las propiedades termodinámicas, o parámetros de operación de las sustancias que participan en el Balance Energético del Generador de Vapor, así como precisar las pérdidas que ocurren en el proceso térmico. Más abajo se habilitarán vínculos para acceder a este conjunto de Calculadores_Energéticos publicados en nuestra web. Merece la pena que el usuario que no está relacionado con las variables que intervienen y los cálculos que hay que realizar en los Balances Energéticos, repase los conocimientos que anteceden a esta operación. Se podrá consultar la literatura que se ha preparado en cada uno de los procesadores de cálculos que están más abajo relacionados y que constituyen la base de la información para la realización de este análisis energético. El Balance Energético de un Generador de Vapor o Calor es un proceso de cálculo complejo y que lleva tiempo, que necesita información de variables del proceso (más de 20) captadas en tiempo real y al pié del equipo Generador de Vapor o Caldera. A la vez se necesitan de los análisis químicos de los productos de la combustión o humos, que o se realizan con instrumentos portátiles al pié de los Generadores, o se toman las lecturas de las variables de instrumentos instalados en ellos o se llevan las muestras de productos de la combustión o humos, (o gases combustibles, dado el caso) al laboratorio para conseguir la información. También se requiere la información del combustible que se quema, bien tomada de las hojas de Facturación del Combustible, bien obtenidas de sus Certificados de Calidad dónde se registran sus parámetros a controlar. Y si no se dispone de estas informaciones, hay que conocer la composición química del combustible para poder estimar, principalmente, su poder calórico. La cantidad de aire requerido para una combustión teórica, la humedad absoluta y la temperatura de alimentación del aire son variables que hay que conocer y registrar. Resumiendo, igual necesitamos información del agua de alimentación, del volumen de humos que se generan, de la temperatura que alcanzan los humos y ya hablamos antes, de su composición. Determinar las pérdidas por superficies calientes es otro de los pasos que requerirá de dedicación. Para esto el usuario tendrá que interactuar con el procesador Pérdidas de Calor a través de las Superficies Calientes. Este procesador se basa en un método de cálculo que se ajusta a situaciones prácticas industriales. Se trata de la división en áreas (seccionalizar) de las superficies exteriores del Generador de Vapor, de manera inteligente, en función del valor de la temperatura superficial media que alcanzan. Requiere que el usuario determine en las diferentes áreas o superficies calientes exteriores, el valor de temperatura superficial que alcanzan. Para eso se necesita un termómetro digital, con una sonda superficial, que facilite la toma del dato. El desarrollo de estas áreas, bien en secciones rectangulares o circulares, junto con el valor de la temperatura superficial expuesta, se introduce en este procesador que finalmente realiza el cálculo del valor de las pérdidas energéticas por este concepto. Para colaborar con el usuario se han programado ayudas visuales en los Formularios que comprueba en tiempo real la información que va introduciendo, definiendo los intervalos lógicos de cada parámetro y teniendo en cuenta los equipos y procesos que mayormente operan universalmente, aceptando aquellos registros que están OK. Esta comprobación se realiza antes de que envíe sus datos al procesador central, evitando así que se pierda tiempo y recursos. Cuadrar el Balance Energético quiere decir que cuándo se determinen las pérdidas y la cantidad de energía que se produce en el sistema, el total de las salidas sea igual o muy parecida al total de la energía que entró a este proceso. Es decir, la energía que sale sea igual (ideal) , o próxima (lo más probable), a lo que se alimentó al Generador. Cómo es conocido, en un proceso industrial existen toda una serie de cambios dinámicos que ocurren instantáneamente, y es muy posible que la igualdad no resulte en la práctica y menos cuando el procedimiento empleado no está basado en calcular las pérdidas por diferencia con el total que entró, opción intencional por nuestra parte, buscando ganar en calidad del resultado que se obtenga del Balance Energético. El procesador ha sido programado para alertar al usuario ( avisa si la suma de las entradas de energía difieren en más del 5% de total en la salida, y viceversa. p. ej. Revisa el Balance Out < In ó Out >>In . Si es +/- 10 % lo remarca con dos >>/<<). Así el usuario puede ir rectificando y precisando la información de partida, hasta que logre obtener una aproximación aceptable del Balance (+/- 5 %) para un entorno industrial. Es posible volver atrás, del paso 3 al paso 2 y reinsertar los datos de la generación de vapor y sus parámetros operativos y en el Formulario 3, revisar las pérdidas, ya que por lo general esta última información es la más difícil de obtener en la práctica y de ahí las posibles imprecisiones. No se perderá la información inicial insertada en el Formulario (1). Pero si los cambios a rectificar son sustanciales, recomendamos iniciar la operación nuevamente volviendo al inicio o Formulario (1). Cada vez que se abra la página del Formulario (1), se creará un nuevo código de la operación y se comenzarán a almacenar los datos en un nueva carpeta temporal. Esta información almacenada se eliminará en cuánto el usuario concluya su visita a al sitio web. Al final se obtiene un conjunto de indicadores valiosos, útiles para saber qué hacer en la operación, mantenimiento y modernización de los componentes del Generador de Vapor, pero se necesitan conocimientos y ser cuidadoso en extremo con la información que se registra. La tabla final resume los principales parámetros e indicadores calculados en los Balances o ciclos de procesamiento de datos que el usuario haya realizado. Calculadores que determinan propiedades o parámetros de operación: Aire requerido por el proceso de Combustión. Calculando el volumen de humos generados en la combustión. Determinación de la Capacidad Calorífica de una mezcla gaseosa cómo los humos de combustión. Estimación del poder calórico de los combustibles fósiles, en función de su composición química. Determinación de la temperatura teórica de la combustión. Determinación de la entalpía del vapor saturado. Determinación de la entalpía del vapor recalentado. Características de las mezclas Aire_Vapor de Agua. Psicometría. Procesador convertidor de unidades de presión - temperatura múltiple. Calculadores que identifican y cuantifican las pérdidas que ocurren en el sistema: Pérdidas en humos Pérdidas por purgas o extracciones Pérdidas de calor a través de las superficies calientes Balance Energético. Procedimiento de cálculo. El procedimiento de cálculo se basa en las corrientes energéticas que entran y salen del Generador de Vapor en una hora de operación. Las condiciones que se toman como estandar se corresponden con la temperatura y presión normales (TPN) 32 ºF ó 492 ºR y 29.92 plg. Hg ó 14.7 psia. El procesador se ha programado partiendo de las unidades inglesas y en algunos casos se realiza la conversión a las unidades técnicas universales más empleadas. Corrientes y sus parámetros que ENTRAN al Generador: tipo de combustible (sólido, liquido o gaseos) cantidad de combustible, lb/h poder calorífico del combustible, Btul/lb temperatura del combustible, ºF cantidad de agua de alimentación, lb/h temperatura del agua de alimentación, ºF cantidad de aire primario, pie3N/lb comb temperatura del aire que entra a la cámara de combustión, ºF humedad del aire que entra a la cámara de combustión, lb agua/lb aire seco cantidad de vapor de atomización al quemador, lb/lb comb temperatura del vapor de atomización, ºF entalpía vapor de atomización, Btul/lb Corrientes y sus parámetros que SALEN al Generador: la cantidad de vapor generada en lb/h temperatura de salida del vapor, ºF presión absoluta a la salida del vapor, psia pérdidas por temperatura en humos, Btu/lb comb. pérdidas en combustión por: - CO presente en humos, Btu/lb comb. - presencia de inquemados sólidos, Btu/lb comb. - presencia de hidrocarburos gaseosos no quemados, Btu/lb comb. pérdidas por extracciones de fondo y purgas continuas. Btu/lb comb. pérdidas de calor por superficies calientes expuestas, Btu/lb comb. Las principales Fuentes de Pérdidas de energía en un Generador de Calor, Vapor o Caldera. El calor que se genera en estos equipos procede del proceso químico de la combustión. En la medida que podamos obtener mayor cantidad de calor de cada unidad de combustible, mayor será su eficiencia. Es la combustión el proceso que más energía transforma dentro de todos los que realizan esta función, y a la vez, el proceso de transformación que más CO2 emite a la atmosfera cuándo la fuente energética es de origen fósil. Por eso conocer la dinámica y las particularidades de cómo se realiza este proceso, tiene gran significación en la eficiencia energética global. En un Balance Energético dónde se realice un proceso de combustión, cuantificar y calificar las fuentes de pérdidas que se presentan es el primer punto a resolver. Las pérdidas en la combustión. La calidad de un proceso de combustión se mide principalmente por la cifra que reporta su eficiencia. Un parámetro indirecto operacional que de manera rápida brinda e induce cómo marcha la eficiencia de la combustión, es la temperatura que pueden alcanzar los productos de la combustión y la llama en el seno de ese proceso. Este valor de temperatura y su diferencia respecto a la ambiente, marcan el potencial del proceso de transferencia de calor y en la medida que se alcancen valores más altos, más rápido será el calentamiento y más energía se podrá convertir en trabajo. De ahí que medir la temperatura de la combustión es una práctica utilizada, para lo cual existen instrumentos de medición y procedimientos de cálculo teórico. Partiendo de un mismo combustible podemos aumentar la temperatura de los humos generados, de la llama y con ello la eficiencia energética, bajo las siguientes situaciones: a) Si se realiza una combustión completa y no hay presencia de combustible no quemado. Eso quiere decir que se trate de transformar en calor, la mayor cantidad de energía química contenida en el combustible. b) En la medida que el exceso de aire que asegura una combustión completa sea menor. c) Si se enriquece con oxígeno el aire para la combustión. Esto quiere decir que se reduce el aire en exceso y disminuye proporcionalmente el volumen de nitrógeno (inerte) que se incorpora. d) Precalentando el combustible que se quemará, para incorporar más energía y pulverizar mejor las partículas de combustible. e) Precalentando el aire primario para la combustión. El conjunto anterior de situaciones, sumado a otras más, son soluciones que se aplican para mejorar el proceso de combustión. La eficiencia del proceso de combustión se mide en la práctica. Se realizan análisis de los productos de la combustión y se calculan parámetros tales como: - CO presente en humos, Btu/lb comb. - presencia de inquemados sólidos, Btu/lb comb. - presencia de hidrocarburos gaseosos no quemados, Btu/lb comb Estas pérdidas se ponderan cada una y se totalizan, compárandose con el total de la energía que se generó. De esta manera se determina sus variaciones en el tiempo de operación y son la fuente de decisiones de operación con el fin de reducirlas. Pérdidas en humos calientes. El calor generado en la combustión tiene la misión de intercambiar energía con las superficies que a su vez transfieren calor al fluido a calentar, o con los materiales. Este calor se intercambia por dos mecanismos fundamentalmente: transferencia por radiación y por convección. En la medida que los procesos de transferencias de calor sean más efectivos, más energía se transferirá desde los productos de la combustión o humos y su temperatura será menor. Medir la temperatura con la que salen los humos por la chimenea es una práctica constante. El calor que se transporte con ellos, es calor que se pierde en la atmosfera y se considera una de las pérdidas de mayor peso en el total del balance. Las pérdidas por extracciones o purgas. Es necesario purgar las calderas regularmente para eliminar el exceso de sales disueltas y mantener la concentración adecuada en el interior de las mismas, evitándose de esta forma las incrustaciones en los tubos y placas en el lado de agua y la formación de espumas, así como los arrastres por el vapor. El control adecuado de la purga es un aspecto muy importante en la operación de una caldera. Una purga insuficiente puede ser la causa de incrustaciones y arrastres, mientras que una purga excesiva produce un gasto extra de agua, calor y productos químicos. Para evitar estas pérdidas innecesarias de calor, agua y productos químicos, el nivel de purgas debe ser tan bajo como sea posible, compatible con un nivel aceptable de sólidos disueltos. Hay que tener en cuenta que el calor perdido por purgas puede recuperarse en parte ya que si las extracciones son altas puede considerarse e incluirse en el sistema un recuperador de calor o un mejor tratamiento químico del agua. Existen normas que establecen el nivel de concentración salina de sustancias disueltas en el agua de la caldera. Estas normas deben ser seguidas y controladas por el operador. Pérdidas por superficies. Las superficies calientes de los equipos Generadores de Vapor o Calderas, transfieren calor al medio ambiente dónde se encuentra instalados y funcionando. Hay métodos para medir la cantidad de calor que se transfiere y se pierde por este concepto a través de cada superficie expuesta. ¿A qué superficies nos referimos?: a) las superficies metálicas que componen el recinto donde se desarrolla el proceso de combustión y que una de sus caras da al ambiente exterior, recubiertas o no interna y exteriormente con aislamiento. b) los conductos o canalizaciones metálicas que conducen los gases productos de la combustión hasta la base de la chimenea. c) las paredes exteriores del cuerpo del horno o caldera d) conductos principales de salida del fluido energético colocados antes de las válvulas de descarga. Estructura del Calculador_Energético El procesador se ha dividido en varias secciones. a) La primera (1) dónde se registran los datos de las corrientes de entrada y se muestra el Panel de Salida con los indicadores calculados. b) La segunda sección (2) dónde se registran los datos de las corrientes de salida y se imprime el Panel de Salida, agregando los indicadores calculados en esta sección. c) La tercera sección (3) y final, dónde se registran las pérdidas y se ponderan. En esta sección final, en su Panel de Salida se reportan todos los indicadores que han sido calculados y que son la fuente informativa para conocer la eficiencia energética con la que opera el Generador y deducir que soluciones pudieran ser aplicadas. En esta página se irá mostrando un resumen de los Balances que realice el usuario. Esta primera versión tiene alcance limitado para procesar tres Balances. El usuario irá pasando de una sección a otra, registrado la información que se solicita en cada formulario hasta alcanzar la sección final. Se describe a continuación los formularios de Registro y los parámetros que hay que insertar en cada caja de datos. Seguidamente se explica como realizar los registros en los Formularios del procesador. Formulario de Registro de Datos (1). Corrientes energéticas que entran al Generador de Vapor.
Los principales indicadores que se reportan son: El Panel de Salida de las corrientes que entran al Generador de Vapor con los resultados del cálculo (1). En cada Formulario de Entrada, una vez procesados los datos, se muestra un Panel de salida, que a su vez va integrando las variables que ya han sido calculadas en el proceso anterior. Al final, se mostrarán todas los indicadores que han resultado del proceso de registro de datos y cálculos. La figura que sigue es una demostración parcial del Panel de Salida (1). Este panel es el que imprime la información que se obtendrá una vez procesado los registros en el primer Formulario.
Igual que el Panel de Salida (1) anterior, al procesar los Formularios de Entrada 2 y 3, se imprimen sus respectivos Paneles de Salida (2) y (3). Continuamos explicando los Formularios de Entrada Formulario de Registro de Datos (2). Corrientes que salen del Generador de Vapor
Formulario de Registro de Datos (3). Pérdidas en el proceso.
La información anterior se procesa y se mostrará el resultado en los Paneles de Salidas parciales, al final de cada Formulario de entrada de Datos. Terminando el Balance se muestra el Panel de Salida con el resultado total. El primero con el procesamiento de las corrientes que entran y las emisiones de CO2 generadas, el segundo con el resultado de las corrientes que salen y el tercero resumiendo todas las variables e Indicadores de eficiencia calculados, incluyendo la precisión y ponderación de las pérdidas. Esta versión publicada ha sido programada con una capacidad de memoria limitada, pero aún así puede acumular la información registrada por el usuario y procesada en 3 procesos de cálculo del Balance Energético. Panel de Salida con el resumen de todos los indicadores procesados.
Los resultados de este Calculador_Energético, empleado sistemáticamente para evaluar los equipos Generadores de Vapor, forman la base informativa del análisis de ingeniería y el diagnóstico en tiempo real. Estos análisis y diagnósticos podrán realizarse al pié del equipo, sin pérdida de tiempo, para de inmediato aplicar soluciones prácticas, rectificar la marcha operativa y comprobar los resultados. El procesador actual ha sido programado considerando el uso de los combustibles fósiles, los que universalmente son los de mayor presencia en este tipo de proceso térmico y a su vez los de mayor interés por las emisiones contaminantes que generan al medio ambiente. Incluye: carbón coque y antracita fuel_oil diesel gasolina Gas Licuado propano_Butano Gas Natural Licuado Gas Natural Las ventajas de la aplicación práctica de este Calculador son más que evidentes. Los Generadores de Vapor por lo general son equipos de alta intensidad energética y de gran peso en emisiones de CO2 en la estructura energética de cualquier país, Proceso Industrial, Centro Comercial, Edificaciones Administrativas y de los Servicios. De ahí la importancia de tener disponible online una herramienta que facilite medir el estado técnico y rectificar a tiempo y correctamente la operación de estos equipos altamente consumidores y emisores de gas CO2. Otra de sus ventajas es que este Calculador_Energético puede ser empleado para evaluar los procesos térmicos de otros equipos similares de gran impacto en el consumo y las emisiones de CO2, como son los Generadores de Agua Caliente y de Agua Sobrecalentada, inclusive, puede ajustarse fácilmente al caso de los Hornos de Fundición, de Tratamiento Térmico y de Calentamiento Metálico. La información, ejercicio en la práctica, organización, control y los indicadores que el empleo de este procesador reporta, inducen el razonamiento e impulsan las soluciones que se necesitan realizar a diario y en todos los puntos dónde se esté consumiendo la energía. A la vez establecen un sistema de análisis y control que enriquece la cultura industrial. Y cómo resultado de la aplicación de las soluciones y el control sistemático, se producen las mejoras en la eficiencia del uso de la energía fósil, se reducen los costos energéticos y el nivel de emisiones de CO2 generados a la atmósfera. Son ventajas tangibles y totales. Procedimiento a seguir para registrar la información en los formularios y cómo interactuar con el resto de los Calculadores_Energéticos que pudieran necesitarse como complemento del cálculo.
Resumen de los Balances que realice el usuario En la página final, al término de cada Balance, se mostrará el siguiente resumen, con las principales variables registradas y los indicadores de eficiencia reportados. Finalmente, agradeceríamos sus comentarios, observaciones y experiencias que obtengan al utilizar este procesador. Puede contactarnos mediante el email: info@energianow.net o ir a la página Recursos - Contactar. Gracias.
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Formulario de Registro de Datos de Entrada (1). Corrientes que entran.