MANUAL DE PRÁCTICAS-Caldera de Combustión

OBJETIVO

Utilizando una caldera de combustión de tipo industrial y un analizador de gases de

combustión de tipo convencional, se pretende que el alumno pueda comparar con

datos reales los conocimientos impartidos en la asignatura referidos a los procesos de

combustión (determinar el exceso de aire, la composición de los gases de escape, la

temperatura de llama, la variación del rendimiento con el exceso de aire…).

Adicionalmente, dado que el equipo didáctico que va a emplearse es equivalente a

otros equipos de tipo industriales, se le plateará al alumno el ejercicio de realizar una

inspección energética de la caldera, de forma que puede realizar un ejercicio de campo

similar al que se le presentaría en el ejercicio profesional durante una auditoría

energética de una caldera.

1

INTRODUCCIÓN

La generación de calor mediante la combustión de combustibles fósiles es el método

más utilizado. Prueba de ello es el consumo de energía primaria a nivel mundial (ver

fig.1). En esta figura se pone de manifiesto que más del 90% de las fuentes de energía

primaria son combustibles (carbón, petróleo, gas natural, biocombustibles y residuos).

Fig.1 Desglose del suministro mundial de energía primaria.

Fuente: Agencia Internacional de la Energía.

Teniendo en cuenta: la intensidad en la utilización de estas fuentes de energía, que

estos combustibles no se encuentran distribuidos de forma homogénea en el planeta,

sino que se concentran en determinadas regiones, que la cantidad disponible de los

mismos es limitada y que el proceso de combustión genera la emisión de productos

contaminantes, en los países más desarrollados ha surgido una creciente preocupación

por preservar el medio ambiente y aumentar el grado de autoabastecimiento

energético, lo que ha llevado a orientar las políticas energéticas hacia una reducción

del consumo de energía, incentivando el ahorro y su eficiencia.

Las mejoras en eficiencia energética incluyen todos los cambios que conllevan una

reducción de la cantidad de energía para un mismo nivel de actividad, teniendo en

cuenta que la satisfacción de los requerimientos de la sociedad actual ha de llevar

asociado el menor costo económico, energético y ambiental posible. Esto hace que el

concepto de eficiencia energética, además de un carácter tecnológico, tenga también

un marcado carácter social y económico, abarcando el funcionamiento del sistema

energético y el proceso de desarrollo de un país o región.

Los equipos utilizados para la generación de calor mediante la combustión de los

combustibles fósiles son principalmente las calderas, hornos y motores (MCIA y

2

Turbinas de gas), por lo que es importante conseguir en ellos elevados rendimientos

energéticos.

Figura 2 Diferentes Generadores de Calor

El rendimiento de los equipos de generación de calor decrece con el tiempo debido a

problemas de combustión, ensuciamiento de los intercambiadores de calor, falta de

mantenimiento y un uso deficiente de los mismos. La mala calidad del combustible

utilizado o del fluido secundario empleado (generalmente agua), también contribuyen

a reducir el rendimiento de estos equipos.

3

Por ello es necesario realizar periódicamente inspecciones con las que determinar la

desviación respecto del rendimiento energético óptimo, detectar el origen de la

desviación y actuar sobre el mismo para corregirlo. Por lo tanto estas inspecciones son

un requisito indispensable para la consecución de una elevada eficiencia energética.

En este sentido, en España, el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios

establece la necesidad de inspeccionar todos los generadores de calor con una

potencia nominal superior a 20kW, en la que se realizará un análisis y evaluación del

rendimiento.

A la hora de establecer los criterios para definir el procedimiento de inspección de

calderas desde el punto de vista de su eficiencia energética, se debe tener presente

que:

Combustión y Caldera están íntimamente correlacionados: la eficiencia de la

transmisión de energía del combustible al agua es función, por un lado, de la calidad

de la combustión y, por otro, de la capacidad y efectividad de la caldera como

intercambiador de calor. Ambos factores dependen, a su vez, del estado de

mantenimiento y conservación de la combustión - por su grado de puesta a punto -, y

del nivel de limpieza de la superficie libre de intercambio, afectada por incrustaciones

y hollines que puedan aislar su capacidad de transmisión de calor.

Esta correlación alcanza su máxima eficacia si el quemador asociado a la caldera

cumple sus distintos cometidos:

• Proporcionar el combustible a la cámara de combustión en condiciones de ser

quemado.

• Aportar el aire necesario a la cámara de combustión.

• Mezclar íntimamente el aire y el combustible.

• Encender, mantener la llama y quemar la mezcla.

• Adaptar la llama a la geometría de la cámara de combustión.

• Desplazar los productos de la combustión hacia la salida de los humos.

Dos son los métodos para determinar la eficiencia energética de una caldera:

- El método directo.

En este método se evalúa el calor útil transferido al fluido secundario (generalmente

agua) y el calor aportado por el combustible consumido. El cociente entre ambos flujos

energéticos da como resultado el rendimiento de la caldera.

4

Figura 3. Representación esquemática de los flujos de entrada y salida de una caldera.

Aplicación del método directo

- El método indirecto o de evaluación de las pérdidas.

En este método se evalúan todas las pérdidas energéticas (por los gases de

combustión, por transferencia de calor a través de las paredes del generador de calor,

por combustible no quemado, por humedad contenida en el combustible y en el aire,

por hollín y por cenizas) y la energía aportada por el combustible

����� ��ú�

���� �� ��� 1 �

∑ ��é�����,

���� �� ��

Conocer los fundamentos teóricos, los datos de partida, las mediciones a realizar y los

análisis y conclusiones que pueden extraerse de estas inspecciones son el objetivo final

de esta práctica

5

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

El equipo de generación de calor que se va a utilizar en esta práctica es una caldera

acuotubular de un paso de humos y un paso de agua, de la casa HILTON, modelo C492. La

aplicación de esta caldera es la producción de agua caliente hasta una temperatura de 90ºC.

En la figura 4 se muestra el esquema del equipo, con las entradas y salidas de los fluidos que

intervienen en el proceso, así como con la posición de las sondas de temperatura y caudal

Figura 4. Esquema general de la caldera

En las figuras 5-6 se muestran una vista general de la caldera y el panel de control de la misma

6

Figura 5. Vista general de la caldera

Figura 6. Panel de control de la caldera

Figura 7. Esquema de la ubicación de las Conexiones en la parte trasera de la caldera

7

Procedimiento de encendido de la caldera:

1- Conectar el panel de control de la caldera (ver figura 6)

2- Abrir las válvulas de seccionamiento de la red de gas natural y comprobar que hay

presión de suministro (ver figura 8)

Figura 8. Esquema de la ubicación de las Conexiones de gas y Agua en la línea general de

entrada.

3- Abrir las válvulas de seccionamiento del circuito de agua y comprobar que circula

caudal observando el valor en la pantalla del panel de control. Regular mediante la

llave de paso del agua a la caldera (maneta de color rojo) el caudal de agua, de forma

que esté por encima de los 200 g/s.

4- Asegurarse de que el termostato de la temperatura de salida del agua esté por debajo

de los 80ºC.

5- Colocar la compuerta de aire del quemador en una posición intermedia (ver figura 9).

Figura 9. Compuerta de entrada de aire.

6- Encender el quemador pulsando el botón correspondiente. En este momento el ciclo

de arranque comienza con el barrido de aire, posteriormente saltará la chispa de

encendido y comenzará la combustión, pudiendo observarse la llama en los visores

laterales

7- Comprobar que la presión del gas es inferior a los 50 mbar (para Gas Natural) o 2 bar,

para GLP.

8

8- En este momento el equipo está preparado para comenzar con la práctica.

La presión de gas puede ajustarse moviendo el tornillo situado en la válvula reguladora de

presión. Si giramos hacia el signo ‘+’, la presión de suministro a la caldera subirá y el caudal de

gas en el quemador aumentará (ver figura 10). Para regular

Figura 10. Válvula reguladora de la presión/caudal de gas natural o de GLP.

El equipo de generación de calor nos proporcionará las siguientes medidas:

- Temperatura de entrada del agua (t1, ºC)

- Temperatura de salida del agua (t2, ºC)

- Temperatura de entrada del aire (t3, ºC)

- Temperatura de gases de escape (t4, ºC)

- Temperatura de llama (t5, ºC)

- Caudal de agua (gramos por segundo)

- Volumen de gas consumido (m3) (ver figura 11)

- - Figura 11. Contador de gas consumido

Medidas de los Gases de la Combustión

Empleando el Analizador de Gases de Combustión, se introducirá por un orificio que se

encuentra en el conducto de salida de los gases de combustión (ver figura 12) el sensor de

medida, el cuál a partir de una muestra de gas no proporcionará la siguiente información:

9

- Figura 12. Imagen del analizador de gases de combustión y de la toma de muestra de

gases de la combustión.

Parámetros que se Obtienen

- Índice de exceso de aire (λ)

- % CO2 en gases de escape

- % O2 en gases de escape

- CO (ppm) en gases de escape

- Temperatura de rocío de los gases de la combustión (Td,ºC)

- Temperatura de los gases de combustión (TH,ºC)

- Rendimiento de la combustión (REN)

Todos estos datos deberán apuntarse para poder realizar los ejercicios propuestos.

METODOLOGÍA DE CAMPO

Para comenzar con esta práctica seguir los siguientes pasos:

a) Encender el quemador

b) Suministrar el suficiente caudal de gas para generar una potencia térmica alrededor de

los 80kW. Mantener el caudal constante durante todos los ensayos de este apartado.

Para determinar la potencia aportada por el combustible calcular el caudal de gas

natural, tomando la lectura del volumen de gas circulado durante unos 13 segundos.

c) Ajustar el caudal de agua para que la temperatura de salida se sitúe entre 60 y 80ºC.

Mantener el caudal constante durante todos los ensayos de este apartado.

d) Situar la compuerta de entrada de aire en la posición mínima para mantener la

combustión.

e) Transcurridos un par de minutos (tiempo de estabilización), tomar las lecturas de las

sondas situadas en la caldera y los datos suministrados por el analizador de gases

f) Repetir, al menos seis veces, los pasos d) y e) abriendo paulatinamente la compuerta

hasta su posición de máxima apertura.

g) Colocando la compuerta de aire en una de las posiciones intermedias ensayadas en el

apartado f), calentar el aire de entrada a la caldera y reducir la presión del gas hasta

que la temperatura de salida del agua se sitúe en el mismo valor que tenía en la

posición sin calentamiento del aire.

Tomar los datos una vez estabilizado el proceso.

10

Se puede utilizar la tabla de datos de campo que aparece en el ANEXO I para recabar en ella los

valores experimentales.

CUESTIONES A RESOLVER

En la tabla 1, se muestra la composición del comburente y combustible que se

emplean en la práctica de laboratorio.

Densidad relativa en condiciones normales: 0,62

Con los datos recabados en los apartados e) y f) realizar un análisis de los gases de combustión

para cada ensayo y mostrarlos en una tabla.

Con los datos recabados en los apartados e) y f) representar, en función del exceso de aire:

a.1) Aplicando el método de cálculo directo, calcule y represente (ver formato gráfica 12) el

rendimiento de la caldera en función del índice de exceso del aire.

Donde:

mw; caudal de agua, en kg/seg;

hs,w; entalpía del agua a la salida, en kJ/kg;

he,w; entalpía del agua a la entrada, en kJ/kg;

PCIf; poder calórico inferior del combustible (ver equación de Dulong);

mcomb; caudal de combustible en ���

����

���;

( ) ( )[ ]combf

wwewewwswsw

aportado

útilcaldera

mPCI

PThPThm

Q

Q

&

&

&

&

⋅

−⋅≈=

,,,,,,η

11

Equación de Dulong:

� ! � 10.780 ∙ '( ) 35.880 ∙ ,'- ) 64.345 ∙ ,('0 ) 93.210 ∙ ,3'4 ) 123.810 ∙ ,-'56

en [78 9:3;<:=> ?;

a.2) Represente (ver formato gráfica 12) las concentraciones porcentuales de O2 y CO2 de los

gases de escape en función del índice de exceso del aire.

En el caso de combustibles gaseosos, la relación teórica entre el volumen de gases de escape y el de aire a suministrar oscila entre 0,9< V

gc,s,min/A

s,min<1,95, por lo que no

puede adoptarse la aproximación Vgc,s,min

≈As,min.

.

En este caso el exceso de aire de combustibles gaseosos, se calculará como:

-

-

La cantidad del aire mínimo (@A,BCDEse determina en función de la composición de gas teniendo en cuenta las reacciones de combustión:

OHm

COnOm

nHC

OHOH

ii

iimini 222

222

24

2

1

+→

++

→+

Por lo tanto, la cantidad de aire seco mínimo será:

@A,BCDG9:3HI

9:3,<:=> E

�1

0,21∙ G2 ∙ ,'- ) 3,5 ∙ ,('0 ) 5 ∙ ,3'4 ) 6,5 ∙ ,-'56 ) 0,5 ∙ '(E

Mientras que, el caudal de aire seco (@AEnecesario para realizar la combustión, según el exceso de aire será:

@A � J ∙ H�,�KL9:3HI

9:3,<:=> ?

Por otra parte, el volumen teórico de los gases de combustión es:

MNO,A,BCD � PQRS ) P�S,�TUL9:

3V;9:3,<:=> ]

donde;

min,

min,,

2

2 1.

.1

s

sgc

A

V

medidacombCOiónconcentrac

teóricacombCOiónconcentrac⋅

−=−λ

12

el volumen teórico de CO2 en los gases de escape, se determina como:

M WX � 1 ∙ ,'- + 2 ∙ ,('0 + 3 ∙ ,3'4 + 4 ∙ ,-'56[9:3,Y( 9:3,<:=> ]

el volumen mínimo de nitrógeno en los gases de escape:

MZX,BCD = 9( + 0,79 ∙ H�,�K[9:39( 9:3,<:=> ]

El volumen de oxígeno:

MWX = GJ − 1E ∙ 0,21 ∙ H�[9:39( 9:3,<:=> ]

Por tanto, la concentración máxima de CO2 en los gases de escape secos se obtiene por la expresión:

%,Y(,��\ =M WX

M WX + MZX,BCD∙ 100

a.3) Represente (ver formato gráfica 12) la temperatura de la llama en función del índice de

exceso del aire.

-Para el cálculo de la temperatura de la llama, debe emplearse la expresión:

gcPgccomb

aportado

gcPgc

sairecombf

cVm

Q

cV

AhhPCIt

,,⋅⋅

≡⋅

⋅++=

&

&

donde: t., temperatura de la llama, en K; PCI., poder calorífico del combustible, el cuál se

determina aplicando la ley de Dulong:

O�NOG1000º,E = ;^,QR( ∙ ,Y( + ;^,�( ∙ 9( + ;^,R( ∙ Y( + ;^,_(R ∙ '(Y en [78 9:3�� `a ]

gcV ., vapor de agua en los gases de escape. El vapor de agua en los gases de escape será la

suma del agua generada en la combustión del hidrógeno y los hidrocarburos más el proveniente de la humedad del aire comburente. Para determinar el agua contenida en el aire <comburente> deberemos determinar su humedad específica, w(30ºC,45%)=0,012kgH2O/kgAs:

MbcXW = P_SR +'d:efgf

= 1 ∙ '( + 2 ∙ ,'- + 3 ∙ ,('0 + 4 ∙ ,3'4 + 5 ∙ ,-'56 +h

0,622∙ H�[9:

3'(Y 9:3,<:=> ]

13

Vgc,s=VCO2+VN2+VO2 [ 9:3V;

9:3,<:=> ]

Vgc= Vgc,s +V’H2O [ 9:3V;

9:3,<:=> ]

a.4) Represente (ver formato gráfica 12) la temperatura de los gases de combustión (la

medida (TH) y la calculada) en función del índice de exceso del aire.

a.5) Represente (ver formato gráfica 12) la temperatura de rocío de los gases de combustión

(la medida (Td) y la calculada) en función del índice de exceso del aire.

a.6) Represente (ver formato gráfica 12) las pérdidas por transmisión de calor, las pérdidas

por gases de combustión y la pérdidas debido a la materia prima en función del índice de

exceso del aire.

a.6.1) Potencia aportada debido a las Pérdidas por transmisión de calor a través del aislamiento!!!

ijkl

ijmn�lkmo� = 1 − ijp�,��K� ��ijmn�lkmo� −ij�mkqlTmnlT�m

ijmn�lkmo� − ��������, expresado en [kW]

donde: �j�., representan las pérdidas por transferencia de calor a través de los

cerramientos de la caldera; rj stuvwsxs., la potencia aportada en [kW], se calcula a

partir de la siguiente expresión:

Qj z{|}~z�| = Qj }�z���ó� + Qj �|���}��~� + Qj �|����~����

Potencia aportada por la reacción!!

rj v�sOOCóD � :j ��� ∙ �,�e�[7�] Potencia aportada por el comburente!!!

rj OuB��v�Dw� = rj @A,� +rj cXW,@�,�e���eIgf<e�[7�]

rj @A,� = J ∙ H�,�K ∙ :j ��� ∙ ��� ∙ � ;^,���3�5 ∙ f� expresado en [kW]

rj cXW,@�,� = �6,0(( ���,��, �, '�E� ∙ J ∙ H�,�K ∙ :j ��� ∙ �_(R ∙ � ;^,_(R�3

�5 ∙ f�

expresado en [kW]

donde:

T1., temperatura de entrada del gas, en K

T3., temperatura de entrada del aire, en K

���., densidad del aire seco,

;^,��.,calor específico del aire seco,

�_(R ., densidad del aire agua,

;^,_(R ., densidad del agua,

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Potencia aportada por el combustible!!!

rj uB��AwC��� = :j ��� ∙ ∑  � ∙ � ;^,�3�5 ∙ f�¡K = :j ��� ∙  '2 ∙ � ;^,_( ∙ f��3

�5 + ,'4 ∙� ;^,Q_- ∙ f��3�5 + ,2'6 ∙ � ;^,Q(_0 ∙ f��3

�5 + ,3'8 ∙ � ;^,Q3_4 ∙ f��3�5 + ,4'10 ∙

� ;^,Q-_56 ∙ f��3�5 + 92 ∙ � ;^,�( ∙ f��3

�5 ¡, expresado en [kW]

a.6.2) Potencia aportada debido a las Pérdidas debido en los gases de combustión!!!

( ) ( ) ( ) ( )∑

∑ ∫

−⋅+−⋅+−⋅+−⋅⋅⋅⋅=

=⋅⋅⋅=

i

4ref

4gc

i3ref

3gc

i2ref

2gc

irefgciicombgc

i

T

T

Piicombgcsensiblegc

TT4

dTT

3

cTT

2

bTTaxmV

dTcxmVQ

gc

ref

&

&& ,

a.6.3) Potencia aportada debido a las Pérdidas debido al arrastre de materia prima!!!

IMPORTANTE: En el arrastre de fórmula por los gases de escape no debe considerar la fusión de ésta, siendo su temperatura la de salida de los gases de escape.

rj Bsw�vCstvCBs = 0,13 ∙ :j ¢������ ∙ [;^ ∙ G�� − ��E] donde:

��., temperatura de salida de los gases de la combustión, en ºC;

��., temperatura de entrada del aire, en ºC;

;^., calor específico del aire, en [£¤

¥¦º�?;

a.7) Represente (ver formato gráfica 12) el rendimiento de la caldera (método indirecto) en

función del índice de exceso del aire.

�������� = 1 − �j��,��K� ���j�������

− �j��j�������

−�j����������j�������

Figura 12. Ejemplo de gráfica a representar

Exceso de Aire (%)

Co

nte

nid

o d

e O

2y

CO

2en

ga

ses

de

com

bu

stió

n (

%) O2

CO2

15

Tabla 1. Campo de Datos tomados en la Práctica

Nº Ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Posición de

Apertura Compuerta Aire

Temp. Entrada Aire (t3)

ºC

Humedad relativa del Aire (HR)

%

Temperatura del suministro

Combustible ºC

Presión del Combustible Presión (Tiro)

mbar

Caudal de Combustible

Volumen/tiempo M

3/seg

Caudal másico de agua

g/seg

Temperatura Entrada de Agua

(t1) ºC

Temperatura Salida de Agua (t2)

ºC

Temperatura. de Llama (t5)

ºC

Temperatura Gases de Escape (TH)

ºC

%O2

%CO2

CO Ppm

Exceso de Aire (λλλλ)

Temperatura del punto rocío de

gases de combustión (Td)

ºC

Pérdidas por Chimenea (qA)

Rendimiento dela combustión (REN)

Notas:

- Presentar los datos individualmente o en grupos de hasta tres personas.

- La fecha tope de presentación será la del examen.

- Se recomienda utilizar una hoja excel para realizar los cálculos.

- Los datos se presentarán en un documento digital con formato pdf, docx ó xlsx