Daniel lvarez

18/05/2013

CORPOELEC, Empresa Elctrica Socialista, adscrita al

Ministerio del Poder Popular de Energa Elctrica, es una

institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el

sector elctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de

un servicio elctrico confiable, incluyente y con sentido social.

Las calderas de dicha empresa funciona con combustible

pesado que en la actualidad es ineficiente, por ende la

conversin a gas de estos generadores de vapor, conducir a la

eficiencia del ciclo agua vapor, mejorado el circuito de

generacin del sistema elctrico nacional, con el propsito de

demostrar que tan eficiente es el gas natural con respecto al

combustible pesado para evaluar su factibilidad econmica.

Evaluacin Tcnica - Econmica para la conversin a gas

de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO - CORPOELEC

REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD

NACIONAL EXPERIMENTAL RAFAEL MARIA BARALT

VICE RECTORADO ACADEMICO PROGRAMA: INGENIERIA Y

TECNOLOGA PROYECTO: INGENIERIA DE GAS

SEDE: LOS PUERTOS DE ALTAGRACIA

EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE

LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC

Trabajo especial de grado para optar al ttulo de ingeniero de gas.

Autor

Daniel lvarez

19.614.265

Tutor Acadmico Tutor Metodolgico

Msc. Davison Matos Msc. Yovis Velasquez

Tutor Industrial

Ing. Jorge Martnez

Los Puertos de Altagracia, Septiembre del 2013

EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE

LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC

REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

RAFAEL MARIA BARALT

VICERRECTORADO ACADEMICO

PROGRAMA INGENIERIA Y TECNOLOGIA

PROYECTO INGENIERIA DE GAS

EVALUACIN TCNICA - ECONMICA DE LA CONVERSIN A GAS DE

LAS CALDERAS 3 Y 4 DE PLANTA CENTRO-CORPOELEC

Proyecto especial de grado para optar al ttulo de Ingeniero de Gas

Autor

Daniel lvarez

19.614.265

_________________________ ___________________________

Tutor Acadmico Tutor Metodolgico

Msc. Davison Matos Msc. Yovis Velasquez

________________________________

Tutor Industrial

Ing. Jorge Martnez

Los Puertos de Altagracia, Septiembre de 2013

DEDICATORIA

A LA INSTITUCIN Por ofrecerme los conocimientos necesarios para el

desarrollo laboral y profesional en el rea, el cual va en mi vocacin y personalidad.

A LA ORGANIZACIN Por brindarme la oportunidad de mi primera

experiencia laboral como inicio de mi carrera como profesional y la oportunidad de

poner en prctica los conocimientos adquiridos en la casa de estudio.

A MIS TUTORES Por la confianza de poner en mis hombros una tarea

importante para la corporacin, y los conocimientos brindados durante mi estada

en la universidad.

A MIS PADRES Por el apoyo incondicional en lo que necesitara para poder

llevar a cabo con toda satisfaccin y llenar las expectativas que tena para mi carrera

universitaria.

A ESA PERSONITA ESPECIAL Por aguantarse todas mis tonteras y estar

pendiente de m en todo lo que hiciera, que me hace sentir que por ella me comera

el mundo y as llegar a donde estoy. TE AMO NENA.

A MIS AMIGOS Por el apoyo tanto en los momentos ms difciles hasta

cuando no los necesitara, pero siempre s que estn all para lo que se presente.

A LOS COMPAEROS DEL DEPARTAMENTO Por armarse de

paciencia para poder despejar todas mis dudas durante la estada en la empresa y

el apoyo incondicional en lo que necesitara para el desarrollo de mi proyecto.

Por ltimo pero no menos importante le dar gracias a todo el proceso que

engloba la REVOLUCION, por promover la creacin del nuevo Ciudadano con tica

V

social y hermandad, impulsar polticas de innovacin de nuevas tecnologas y

estrategias y el fomento a la juventud venezolana a incorporarse a la demanda de

profesionales que la patria necesita.

Solo me queda agregar una frase de un personaje importante de la msica

latinoamericana, el 20 de septiembre 1997 en el Estadio de River Plate tras la

finalizacin de la cancin Msica Ligera

No solo no hubiramos sido nada sin ustedes, sino con toda la gente que

estuvo a nuestro alrededor desde el comienzo;

GRACIAS TOTALES

Gustavo Cerati

Vocalista y Guitarrista de Soda Stereo

DANIEL ALVAREZ

VI

AGRADECIMIENTO

A la Universidad Nacional Experimental Rafael Mara Baralt por abrirme

sus puertas, siendo mi segundo hogar, y as darme la oportunidad de

formarme como profesional y como persona.

A mis familiares y amigos por ser y estar siempre ah apoyndome en

todo momento y gracias a ellos estoy donde estoy, culminando ms que una

meta, unos de los tantos sueos que tengo delante por cumplir. Sin sueos

no habra una vida con sentido

A todos los profesores, especialmente, a mis tutores, por haber

contribuido a la formacin y armndose de paciencia despejando tantas dudas.

A CORPOELEC quien gustosamente brindo su colaboracin para

cumplir con los objetivos planteados para este trabajo.

lvarez

VII

NDICE GENERAL Pg.

VEREDICTO.. IV

DEDICATORIA..... V

AGRADECIMIENTO VII

NDICE GENERAL... X

NDICE DE CUADROS XII

NDICE DE FIGURAS.. XIII

RESUMEN XV

INTRODUCCIN.................................................................................... 1

CAPITULO I

EL PROBLEMA

Planteamiento del problema................................................................... 4

Formulacin del problema...................................................................... 7

Objetivos de la investigacin.. 8

Objetivo general...................................................................................... 8

Objetivos especficos.............................................................................. 8

Justificacin de la investigacin.............................................................. 8

Delimitacin de la investigacin. 11

Delimitacin espacial.............................................................................. 11

Delimitacin temporal............................................................................. 11

Delimitacin conceptual. 11

CAPITULO II

MARCO TERICO

Antecedentes de la Investigacin........................................................... 12

Bases tericas........................................................................................ 14

Conversin de calderas a gas.... 14

Calderas.... 14

Caderas acuotubular.............................................. 15

Economizador.. 16

Domo. 16

Sobrecalentadores.. 17

Evaporador.. 17

Recalentador 17

Estacin de gas natural... 18

Sistemas de medicin y flujo.. 19

Vlvulas de cierre. 22

Vlvulas de seguridad. 22

Vlvulas reguladoras... 23

Filtros. 23

Red interior de tubera. 24

Quemadores. 25

Ventilador de tiro forzado.... 26

Ventilador recirculador de gases 27

Calentador de aire con condensado.. 27

Calentador de aire con vapor..... 27

Calentador de aire regenerativo. 28

Ciclo de potencia.. 29

Ciclo de potencia de vapor.. 29

Ciclo Rankine 29

Ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento intermedio 30

Maquinas trmicas 31

Calor 32

Transferencia de calor. 32

Temperatura. 34

Eficiencia. 34

Poder calorfico. 37

Teora inorgnica de la combustin...... 38

Llama..... 40

Temperatura de la llama. 41

Gasodinamica de la combustin 42

Emisividad de la llama. 42

Aire de combustin.. 44

Exceso de aire.. 45

Poder calorfico del aire... 45

Gas natural 45

Anlisis ORSAT 47

ASME PTC 4.1. 49

Definicin de trminos bsicos.. 60

Sistema de Variables 63

Variable. 63

Conceptualizacin de la variable 63

Operacionalizacin de la variable.. 63

CAPITULO III.

MARCO METODOLOGICO

Tipos de investigacin............................................................................ 65

Diseo de la Investigacin...................................................................... 66

Unidad de anlisis 67

Tcnica para la recoleccin de informacin. 68

Procedimiento de la investigacin........................................................... 70

CAPTULO IV

ANLISIS DE LOS RESULTADOS

Conversin a gas de las calderas de PLANTA CENTRO

CORPOELEC 74

Objetivo nmero 1: condiciones actuales de las calderas 3 y 4 de

PLANTA CENTRO CORPOELEC.. 75

Sistema de alta presin... 75

Economizador.. 75

Domo..... 75

Evaporador... 75

Sobrecalentadores. 75

Recalentador 76

Sistema de aire gases.. 78

Ventilador de tiro forzado.... 78

Precalentadores de aire.. 79

Precalentadores de aire con condensado.. 79

Precalentador de aire con vapor 79

Calentador de aire regenerativo. 79

Ventilador recirculador de gases 80

Combustible pesado 80

Quemadores. 81

Objetivo nmero 2: comportamiento de eficiencia del fuel ol y gas

natural. 82

Prdida del Gas de combustin seca 83

Prdida debido a la humedad de la combustin de hidrgeno. 83

Prdida por radiacin y conveccin... 85

Prdidas "No contabilizadas". 85

Utilizando datos de eficiencia de caldera. 85

Objetivo nmero 3: parmetros tcnico - econmicos para la

conversin a gas de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO

CORPOELEC...... 89

Combustible.. 93

Mantenimiento.. 95

Generacin... 100

Objetivo nmero 4: establecer las estrategias para la conversin a gas

de las calderas de PLANTA CENTRO-

CORPOELEC 102

Revisin de transferencia de calor entre zonas radiante y convectiva 102

Evaluacin de la habilidad de los materiales (tubos, economizador,

sobrecalentador) para las nuevas temperaturas. 103

Estudio de dilataciones estructurales frente a nuevas exigencias... 105

Revisin y adecuacin de equipos de la caldera 105

Anlisis adicionales. 106

CONCLUSIONES................................................................................... 107

RECOMENDACIONES.......................................................................... 108

BIBLIOGRAFA....................................................................................... 109

Cuadro NDICE DE TABLAS Pg.

1 Contenido del gas natural 46

2 Cuadro de operacionalizacion de la variable. 52

3 Aplicacin factores para convertir el anlisis de Gas hmedo

para secar Gas base 76

4 Aplicacin anlisis tpico para los combustible fsiles

comunes. 76

5 Datos tomados de la unidad Nro. 3. 81

6 Datos tomados de la unidad Nro. 1. 82

7 Resultados de la cromatografa de gases 83

8 Anlisis de combustible pesado 84

9 Normalizacin de gases 85

10 Normalizacin de gases 86

11 Demanda de energa vs gas equivalente 88

12 Especificacin de las lneas de tubera 89

13 Especificacin de medidores de flujo 90

14 Especificaciones de los quemadores 91

15 Evolucin de costos de combustible y comparacin de

costos fuel ol y gas natural 92

16 Costos de actividades de mantenimiento con fuel ol 93

17 Costos de actividades de mantenimiento con gas natural 96

18 Generacin en el mes de marzo 2013 PLANTA CENTRO

CORPOELEC 99

Figura NDICE DE FIGURAS Pg.

1 Caldera Acuotubular 15

2 Sistema de medicin de flujo 20

3 Sistema de medicin de energa total. 21

4 Vlvula de seguridad. 22

5 Vlvula reguladora. 23

6 Filtros... 24

7 Esquema del quemador RSFC 26

8 Esquema de CAC.. 27

9 Esquema de CAR o LUVO 28

10 Esquema del ciclo Rankine.. 30

11 Esquema del ciclo Rankine regenerativo con

recalentamiento intermedio.. 31

12 Principio de mquinas trmicas.. 31

13 Mecanismo de combustin de metano.. 39

14 Reaccin y poder calorfico de varios hidrocarburos 40

15 Temperatura de la llama de varios componentes. 41

16 Representacin de gasodinamica del quemador.. 42

17 Emisividad de la llama segn su combustin. 44

18 Poder calorfico del gas natural 47

19 Calderas 3 y 4. 70

20 Entradas y salidas de calor de la caldera 72

21 Perdidas principales de calor en la calderas.. 73

22 Radiacin y perdidas por conveccin para vario tamaos de

calderas.. 79

23 Grafica de sustitucin recomendadas de tubos en las

paredes de la caldera 102

Autor: Daniel lvarez. Tutores: MSc. Davison Matos, MSc. Yorvis Velzquez y

Ing. Jorge Martnez, Evaluacin Tcnica - Econmica para la conversin a gas

de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO - CORPOELEC. Universidad Nacional

Experimental Rafael Mara Baralt, Trabajo especial de grado para optar al

ttulo de Ingeniero de gas. Los Puertos de Altagracia, Septiembre 2013.

RESUMEN

La presente investigacin tiene como objetivo general, Evaluar la factibilidad

tcnica econmica para la conversin a gas de las calderas 3 y 4 de Planta Centro-

CORPOELEC. sta investigacin se considera descriptiva segn, Hernndez,

Fernndez y Baptista (2006), los estudios descriptivos miden, evalan o recolectan

datos sobre diversos aspectos, dimensiones o componentes del fenmeno a

investigar. El diseo de la investigacin se considera de campo no experimental y de

proyecto factible, segn Chvez (2001), ya que los datos necesarios para el estudio

son tomados directamente desde la organizacin, pero sin influir en ella a travs de

un instrumento recoleccin de datos, diseados para tal fin. La unidad de anlisis

corresponde a las unidades 3 y 4 de PLANTA CENTRO CORPOELEC, adems de

la unidad 1 para el estudio de la experiencia de conversin de gas natural. La gestin

para la conversin a gas de calderas resulta de gran valor para la produccin debido

a que a travs de ella se puede obtener fcilmente reduccin de costos y emisiones

de gases invernadero, as a travs de enlaces poder comparar las calderas existentes

en la empresa y determinar la productividad de cada una de ellas. Para realizar la

conversin a gas natural de las calderas de PLANTA CENTRO - CORPOELEC es

recomendable seguir una serie de etapa con estudio especializados los cuales

ayuden a evaluar las fallas que se puedan presentar en el proceso de conversin y la

puesta en marcha del bloque de servicio.

Palabras clave: Conversin a gas Calderas Generadores de Vapor -

Eficiencia.

XV

1

INTRODUCCIN

El panorama energtico internacional evoluciona aumentando

continuamente la demanda de energa como consecuencia del crecimiento

mundial de la poblacin, aumento de la calidad de vida en los pases

desarrollados y sub desarrollados, mayores expectativas de vida, gran

desarrollo industrial de ciertos pases. En definitiva, el desarrollo de los pases

siempre est vinculado a un aumento de la demanda energtica que viene

siendo imparable en todo el mundo desde el comienzo de la revolucin

industrial.

El uso racional de energa implica una valoracin del recurso energtico

en la cadena productiva, una generacin de una cultura de ahorro y una

implementacin de acciones para mejorar la eficiencia de los equipos

consumidores de recursos energticos, as como tambin el diseo de

estrategias de sustitucin de energticos. Los recursos energticos utilizados

en el mundo con mayor frecuencia son aquellos que son agotables y, por lo

tanto, deben ser valorados responsablemente para garantizar a las

generaciones venideras las adecuadas condiciones de subsistencia. En este

sentido, el uso racional de la energa es una alternativa orientada a eliminar

el desperdicio y el uso innecesario de la misma, sin disminuir la calidad de vida

de los habitantes.

Las centrales termoelctricas consisten en una caldera, en la que se

quema el combustible para generar calor que se transfiere a unos tubos por

donde circula agua, la cual se evapora. El vapor obtenido, a alta presin y

temperatura, se expande a continuacin en una turbina de vapor, cuyo

movimiento impulsa un alternador que genera la electricidad. Luego el vapor

es enfriado en un condensador donde circula por tubos agua fra de un caudal

abierto de un ro o por torre de refrigeracin.

Es de vital importancia dar a conocer entre otras cosas las ventajas del

gas natural con respecto a los combustibles buscando el mejoramiento de la

2

industria y el uso racional de energa que permite maximizar la productividad,

eficiencia y la competitividad de las empresas, as como ayudar a reducir el

impacto ambiental, puesto que redundan directamente en la disminucin de la

emisin de gases de efecto invernadero asociados con los procesos de

generacin elctrica y de calor.

En Venezuela en los ltimos aos se han incrementado las normas y

leyes con respecto a la prevencin del medio ambiente aplicable tanto a

empresas pequeas como grandes. Tal como es caso de La empresa

CORPOELEC, que es una empresa elctrica socialista del estado

venezolano, adscrita al ministerio del poder popular de energa elctrica, es

una institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el sector

elctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de un servicio elctrico

confiable, incluyente y con sentido social. El objetivo de la investigacin surge

con la necesidad de evaluar la viabilidad tecno econmico para la conversin

a gas de las calderas 3 y 4 de Planta Centro-CORPOELEC.

Se debi comprender los diferentes estatutos de los cdigos

internacionales para el anlisis de conversin para este tipo de recipientes; por

lo tanto esta evaluacin fue regida bajo las especificaciones del cdigo

A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers), tanto para las pruebas

de eficiencia (ASME PTC 4.1) como para los aspectos tcnicos (ASME Boiler

& Pressure vessel code).

De acuerdo a lo anteriormente planteado, la presente investigacin se

presenta de la siguiente manera:

El Captulo I: Establece las caractersticas del caso tomado en el

estudio, sus objetivos, la pertinencia e importancia de la investigacin as como

su delimitacin en un intervalo espacio-tiempo determinado.

El Captulo II: Muestra ciertos trabajos relacionados directos e

indirectamente con el tema que apoyan la consecucin del estudio realizado,

los diferentes fundamentos tericos existentes, los trminos que han sido

involucrados al tema y el anlisis del sistema de variable.

3

El Captulo III: Plantea el tipo de investigacin y su diseo, la poblacin

y la muestra, el instrumento de recoleccin de la informacin.

El Captulo IV: Se presenta las estrategias para la conversin a gas de

las calderas con todos los anlisis demostrados a lo largo de la investigacin,

muestra la presentacin de los resultados, su anlisis y discusin. Por ltimo,

se presentan las conclusiones del trabajo y las recomendaciones producto del

anlisis de la problemtica presente, el listado de referencias bibliogrficas que

fundamentaron la investigacin y los anexos que brindan soporte a los

aspectos tratados en el estudio.

4

CAPITULO I

EL PROBLEMA

Planteamiento del problema

A principios de los aos veinte, en la industria se inici la aplicacin de

temperaturas de proceso, presiones, reactivos y otras condiciones que

estaban ms all de las caractersticas de los materiales existentes en esos

das, para ese entonces no se contaba con intercambiadores de calor mucho

menos los materiales y aleaciones para llevar a cabo su fabricacin, lo cual

llego a ser falta debido a los procesos que se ejercan para ese entonces en

el sector petrolero y energtico.

Las calderas son dispositivos de ingeniera diseados para generar

vapor debido a una transferencia de calor, proveniente de la transformacin

de la energa qumica del combustible mediante la combustin, en energa

utilizable (calor), y transferirla al fluido de trabajo (agua en estado lquido), el

cual la absorbe y cambia de fase (se convierte en vapor).

Estas forman parte de los equipos ms usados en la industria a nivel

mundial y los mayores responsables de consumo de combustibles en este

sector, por lo tanto, mantenerlas trabajando con una buena eficiencia redita

beneficios importantes para cualquier empresa. Generadores de vapor es un

trmino que est siendo utilizado en la actualidad para reemplazar la

denominacin de caldera. El cual indica al conjunto de equipos compuestos

por, horno u hogar, cmaras de agua o evaporador, quemadores,

sobrecalentadores, recalentadores, economizador y precalentador de aire.

Se comprende que el trmino de caldera ha sido por mucho tiempo

utilizado, lo cual es muy comn la confusin entre caldera y generador de

vapor, pero la diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado

(vapor seco) y el otro genera vapor saturado (vapor hmedo). En la mayora

5

de las empresas e incluso en de uso domstico las calderas o generadores de

vapor funcionan con el mismo principio con la diferencia en el diseo de la

mquina. La produccin de vapor a partir de la quema de combustibles fsiles

se utiliza en todo tipo de industrias de transformacin de materias primas y en

las centrales termoelctricas.

A travs del tiempo se ha desarrollado en base a la energa qumica

almacenada por la naturaleza en los combustibles fsiles y actualmente

depende de su disponibilidad, comercializacin y empleo. El carbn mineral

impulso la revolucin industrial y suministr la energa que cambi el mundo

en el siglo XIX; en el siglo XX, el petrleo se convirti en el oro negro que

domin la civilizacin y determin el ritmo de la economa del planeta.

Teniendo en cuenta que el desarrollo de la tecnologa y la evolucin de

los precios del petrleo han permitido la explotacin, transporte y distribucin

del gas natural con todas sus ventajas y posibilidades tcnicas, econmicas y

ecolgicas, convirtindolo en el combustible del siglo XXI. De modo que se

han realizado experiencias de conversiones a gas en calderas de diferentes

empresas a todo lo largo y ancho del mundo con resultados satisfactorios.

Cabe considerar que hay pases lderes en el tema del uso racional de

la energa y la utilizacin del gas como combustible, entre ellos tenemos:

E.E.U.U. toda la UNIN EUROPEA, JAPN y otros que sufren las

consecuencias de la escasez de energa y deben utilizarla de la forma ms

eficientemente posible. Entre los pases de habla hispana que han trabajado

ms en esta rea son Mxico y Espaa. Entre las instituciones importantes

que han escrito documentos relacionados al tema, se tienen: NALCO ITALY,

CADEM, Ministerio de Industria y Energa de Espaa, SPIRAX-SARCO,

ENERBUS.

De igual modo, en Mxico, se observaron datos de las plantas de

servicio pblico y de los autos productores en el 2009, se generaron 216,456

GWh (Giga Watts) a partir de fuentes combustibles. Para lograr dicha

generacin, se consumieron 1,919,697 TJ (Toneladas Joule) de combustibles

6

fsiles y renovables, resultando en una eficiencia global de 40.6%. Entre 2000

y 2009, la eficiencia global de las plantas de generacin de electricidad

aument 5.7 puntos porcentuales.

Para ilustrar mejor en Venezuela, existen empresas de gran

envergadura como PDVSA (Petrleos de Venezuela) y CORPOELEC

(Corporacin Elctrica) disponen de calderas en sus procesos tanto para

generacin de energa como para el calentamiento de petrleo, he inclusive

CORPOELEC usa este vapor para cumplir ambas funciones, tambin existen

gran variedad de empresa que manejan calderas, pero usan agua para los

procesos de aceites, plsticos, entre otros materiales pero siempre bajo el

mismo principio.

La empresa CORPOELEC, es una empresa elctrica socialista del

estado venezolano, adscrita al ministerio del poder popular de energa

elctrica, es una institucin que nace con la visin de reorganizar y unificar el

sector elctrico venezolano a fin de garantizar la prestacin de un servicio

elctrico confiable, incluyente y con sentido social.

Con una planta termoelctrica ubicada en el centro del pas,

especficamente en Punta Morn, distrito Juan Jos Mora (Estado Carabobo),

denominada Planta Centro, la cual est en operacin desde el ao 1978, y es

el complejo termoelctrico con mayor capacidad de generacin de energa

instalada (2000 Mw). Adems cabe destacar que dicha planta es la ms

grande de Latinoamrica, generados por 5 unidades de 400 Mw cada una, a

travs de sistemas acoplados por medios de la sub-estacin: el Isidro (edo.

Falcn), Cabudare (edo. Lara), la arenosa (edo. Carabobo) representando el

cincuenta y dos por ciento (52%) de la produccin de CORPOELEC.

Esta se comprenden en dos etapas; la primera etapa se construyeron

las unidades 1 y 2 por el consorcio alemn BORSIG, la unidad 1 es la que

actualmente se encuentra trabajando con gas natural, conversin que se hizo

por la empresa italiana ALSTOM POWER, y la segunda etapa figuran las

unidades 3,4 y 5 construidas por la empresa japonesa BABCOCK & WILCOX

7

HITACHI, en esta etapa la unidad 5 se est preparando para el cambio a gas

natural por UNE en convenio CUBANO-VENEZOLANO, faltando solo as las

unidades 3 y 4 por la conversin, Estas calderas son de tipo acuotubulares de

dos pasos con recalentamiento que funciona con combustible pesado (Fuel

Ol Nro. 6).

Actualmente existen nuevas tecnologas ms eficiente, que no solo se

refieren al rendimiento trmico de los generadores de vapor, sino todas sus

ventajas de seguridad, tanto para el personal que labora en estas calderas,

por ser el gas natural menos agresivo que otros combustible, se reducen los

cost y horas de trabajo hombre de mantenimiento, adems de ser amigable

con el ambiente por la bajas emisiones de CO2, CO y NOx entre otros. Por

ende y no es de obviar que la conversin a gas de estos generadores de

vapor, conducir a la eficiencia del ciclo aguavapor, con propsito de

demostrar que tan eficiente es el gas natural con respecto al combustible

pesado para evaluar su factibilidad econmica.

Con esto se ha llegado al ncleo de la importancia del presente proyecto

el cual radica en lo valioso que sera para la industria VENEZOLANA, contar

con resultados de una investigacin que evale y compare el rendimiento de

calderas convertidas a gas natural en comparacin al rendimiento obtenido de

otros combustibles; conduciendo a tomar decisiones fundamentadas con

respecto a la conversin a gas natural de las calderas en PLANTA CENTRO-

CORPOELEC.

Formulacin del problema

Con relacin a lo planteamiento anteriormente descrito y teniendo en

cuenta que uno de los principales objetivos de la empresa elctrica

venezolana, es obtener el mayor rendimiento posible de los equipos que

impactan de manera directa en la generacin de energa elctrica, se hace

necesario formular la siguiente interrogante:

8

Cmo sera la evaluacin tcnica econmica de la conversin a gas de

las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO-CORPOELEC?

Objetivos de la investigacin

Objetivo general

Evaluar la factibilidad tcnica econmica para la conversin a gas de las

calderas 3 y 4 de Planta Centro-CORPOELEC.

Objetivos especficos

Diagnosticar la situacin actual de las calderas 3 y 4 de PLANTA

CENTRO CORPOELEC.

Conocer el comportamiento de la eficiencia del fuel ol y gas natural.

Analizar los parmetros tcnicos - econmicos para la conversin a gas

de las calderas 3 y 4 de PLANTA CENTRO CORPOELEC.

Establecer estrategias para la conversin a gas de las calderas 3 y 4 de

PLANTA CENTRO-CORPOELEC.

Justificacin de la Investigacin

En lneas generales la investigacin se realiz con el fin de diversificar

la matriz de energa primaria y adecuar el consumo energtico a los mejores

estndares de eficiencia incorporando el gas natural como otra fuente de

energa alternativa, con el motivo de fortalecer y ampliar el sistema elctrico

nacional beneficiando a la poblacin venezolana.

As mismo, surge la necesidad de fortalecer nuestra industria energtica

por la creciente demanda de la poblacin, mejorando la eficiencia de las

9

calderas de vapor con el uso del gas natural y evaluando la aplicacin de

tecnologa de cogeneracin para un sostenido desarrollo integral energtico.

Por consiguiente la investigacin evaluara los parmetros tcnicos y

econmicos para la conversin a gas de las unidades 3 y 4 de PLANTA

CENTRO-CORPOELEC, con el propsito de reducir las problemticas

referentes a la quema de combustibles fsiles y subsiguiente las emisiones de

gases invernaderos contribuyendo a el deterioro de la capa de ozono, adems

disminuir los costos de mantenimiento por ser menos agresivo el gas natural

en comparacin a otros combustibles y asimismo evitar los gases, el holln,

vanadio y otros agentes contaminantes dainos para la salud tanto para el

ambiente como para los trabajadores que laboran en estas calderas.

Es importante sealar que estas unidades tienen ms de 50 aos en

servicio con equipos que existen desde el principio del arranque de la unidad,

todo lo mencionado anteriormente perjudica a sistema de generacin de vapor

bajando su rendimiento y vida til de la mquina, con esto se planificara una

modernizacin y automatizacin de los equipo de las calderas

correspondientes a cada unidad generadora.

Finalmente, se presenta este proyecto de tan vital importancia, cuya

finalidad es garantizar, ms all de la vialidad que sea en lo tcnico y

econmico, sino que la maquina trabaje bajo parmetro aceptable y seguro

desde el punto de vista operacional y humano, no dejando a un lado sus

ventajas respecto a seguridad y por ultimo pero no menos importante la

ventajas ecolgicas, teniendo en cuenta estos factores, automticamente nos

conducir a que nos brinde un eficiente funcionamiento, cumpliendo la funcin

correcta, segura y adecuada en el proceso de generacin elctrica.

Los aportes del estudio estn dados desde los siguientes criterios:

En lo social, el beneficio es directamente con la comunidad, debido a

que si el sistema de generacin elctrica posee un buen rendimiento, garantiza

el fluido de electricidad para todas las comunidades involucradas al cual la

empresa suministra directamente.

10

En lo econmico, esta mejora en el sistema de la caldera influye

directamente a la empresa de manera que reduce gastos en equipos costosos

para el sistema actual, si se implementa la mejora, la vida til de las calderas

y sus sistemas auxiliares sera ms larga.

En lo tcnico, el procedimiento es de fcil manejo y el sistema operativo

es ergonmico, el mantenimiento es ms cmodo desde el punto de vista

ambiental menos contaminante de la caldera.

En lo acadmico, con la propuesta de la EVALUACION TECNICA-

ECONOMICA PARA LA CONVERSION A GAS DE LAS CALDERAS 3 Y 4

PLANTA CENTRO-CORPOELEC, el conocimiento terico-prctico para los

autores y los lectores de esta propuesta, ser enriquecido puesto que esta

elaboracin metodolgicamente est redactada para la buena comprensin

del lector sin importar la rama acadmica que este domine.

En el marco metodolgico aporta la creacin de mtodos y sistemas

para la conversin a gas natural de calderas de vapor en PLANTA CENTRO-

CORPOELEC para la produccin de energa, que servirn como base de otros

estudios e investigaciones, al proporcionar una herramienta que ayudara a una

evaluacin tcnica - econmica en calderas de la generacin de energa

elctrica.

Ahora bien, desde un punto de vista prctico, la presente investigacin

tiene como finalidad la conversin a gas natural de las calderas en PLANTA

CENTRO-CORPOELEC para la generacin de energa elctrica para

fortalecer nuestra creciente industria nacional de manera efectiva, siendo este

de gran aporte innegable de la incursin en el rea generacin y eficiencia

energtica, como profesional de ingeniera de gas.

11

Delimitacin de la investigacin

Delimitacin espacial

La investigacin se desarroll en la Universidad Nacional Experimental

Rafael Mara Baralt, ubicada en los Puertos de Altagracia del municipio

Miranda del Estado Zulia en conjunto a PLANTA CENTRO-CORPOELEC,

ubicada en el centro del pas, en Punta Morn, distrito Juan Jos Mora estado

Carabobo.

Delimitacin temporal

La investigacin se llev a cabo en el periodo comprendido entre Marzo

de 2013 a septiembre del 2013.

Delimitacin conceptual

El estudio de la conversin a gas natural de las calderas en Planta

Centro-CORPOELEC para la generacin de energa elctrica. Enmarcada en

el rea de energa del Proyecto de Ingeniera y Tecnologa. (PIT). Para ello se

destacan aportes tericos hechos por: Ing. Percy Castillo Neira (2010), Manual

de operacin y Mantenimiento Alstom Power (2000), Secretaria de Energa de

los Estados Unidos Mexicanos (2009), entre otros.

12

CAPTULO II

MARCO TERICO

Antecedentes de la investigacin

M. Golato, F. Colombres y otros. (2008) Revista Industrial y Agrcola de

Tucumn Metodologa de clculo de la eficiencia trmica de generadores de

vapor se desarroll un mtodo matemtico determinstico de procesamiento

de registros experimentales, aplicable a un sistema generador de vapor y

recalentador de aire en estado estacionario, que opere con uno o dos

combustibles simultneamente, para determinar la eficiencia trmica del

mismo y la eficiencia con la que se oxida el combustible, como as tambin el

rendimiento del intercambiador de calor.

La mecnica de procesamiento se basa en la resolucin de los balances

de materia y energa sobre los diferentes equipos que conforman el sistema.

Esta metodologa es aplicable aquellos generadores de vapor que empleen

como combustible, bagazo, gas natural o ambos (caldera mixta). Los

resultados del clculo de la eficiencia trmica de diferentes generadores de

vapor para cada tipo de combustible procesado, empleando para ello datos de

diversos ensayos experimentales. Como validacin de esta metodologa, se

contrastan estos valores de eficiencia con los obtenidos segn el cdigo

propuesto por la American Society of Mechanical Engineers (ASME).

De esta manera aportando a la investigacin un metodologa en la parte

tcnica, adoptando los procedimientos necesarios para la determinacin de

eficiencia de calderas a gas y/o otros combustibles, asimismo establecer la

eficiencia de la combustin, arrojando los valores de rendimiento trmico del

ciclo.

V. Arrollo (2007) Beneficios de las sustitucin de petrleo residual por

gas natural en caderas de vapor este trabajo se bas en las ventajas que traer

13

la sustitucin de petrleo Nro. 6 por gas natural en el mbito econmico,

comparando costos de combustible, mantenimientos, beneficios en el rea de

seguridad y ecolgicas.

Se plante lo equipos y modificaciones necesarias para el cambio,

calculando el costo de la inversin en dos (2) casos, cambio a gas natural en

una caldera pirotubular de 900 BHP (Boiler Horse Power) y una caldera

acuatubular de 50 T/H (Toneladas Hour), planificado los pasos a seguir para

el cambio en ambos casos. Se calcul el ahorro de costo de combustible y de

mantenimiento, a su vez el tiempo de recobro de la inversin.

Como resultado se obtuvo que para la caldera pirotubular, se

necesitaba adaptar los quemadores a un kit de conversin y complementar

con un tren de vlvulas y controles, se construy un tendido de tuberas para

el gas natural y se dej instalado las lneas de combustible pesado como

respaldo, se calcul como ahorro total de 154.810 U$/ao entre costos de

combustible, energa dejada de consumir y limpieza de tubos, con un retorno

de la inversin en casi dos aos.

Este trabajo aporto al mtodo de realizacin de la propuesta mediante

el anlisis de resultados en el mbito econmico y a plasmarlos en la

investigacin de una manera fcil de apreciar.

ALSTOM POWER (2006) Conversin a Gas de la Caldera Nr. 1,

Contrato Nr. 2000-037-13250PC, Commessa API Nr. 11633 El proyecto de

conversin a la combustin dual (Fuel ol y Gas Natural) y otras mejoras de la

caldera N 1 de la Central Termoelctrica de Planta Centro ha sido

desarrollado por Alstom Power sobre la base del Contrato N 2000-0037-

13250.

A efecto de la transformacin de la caldera para su conversin a la

combustin dual, se ha efectuado la verificacin de las condiciones esperadas

de las temperaturas del vapor y del metal en las distintas secciones de pasaje

de los gases. Como resultado de esta verificacin, han sido reemplazadas

aquellas partes donde la temperatura del metal esperada en las nuevas

14

condiciones de operacin es mayor de la temperatura de diseo original (los

tubos a ms alta temperatura del sobrecalentador SH2 y el colector de salida

del mismo). En todas las otras secciones, la temperatura esperada del metal,

sea calculado con gas natural como con aceite combustible pesado, o con

cualquier proporcin posible de los combustibles, no ser mayor a las mximas

admitidas, segn el cdigo ASME, para los materiales instalados.

De igual manera que los anteriores antecedentes, contribuyo como

base fundamental para esta investigacin, ya que este proyecto es la

experiencia de la empresa del objeto de estudio reflejada en esta

investigacin, desde el aspecto tcnico hasta la generacin de la propuesta.

Bases tericas

Conversin a gas de calderas

Las empresas industriales que tenga calderas quemando Petrleos

residuales o disel y que tengan acceso al gas natural, podrn optar por

cambiar de caldera a otra nueva que lleve incorporando un quemador para gas

o cambiar (algunos casos adaptar) el quemador existente para que pueda

quemar gas natural. La eleccin depender de la antigedad, estado de la

caldera, lmite de capacidad, entre otros. (Arroyo V.)

Calderas

Una caldera o generador de vapor es una mquina trmica que produce

vapor a una presin mayor que la atmosfrica. A la mquina le entra una

energa (airecombustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo

(frecuentemente agua) efectundose el proceso de evaporacin, cuyo

mecanismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera (Meja J.)

15

Calderas Acuotubulares

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

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

presiones de operacin de 0-150 bares, 0-2200 PSIG.

Estas son las grandes calderas de alta presin utilizadas para la

generacin de energa en la industria. Los gases calientes de los quemadores

pasan alrededor de los bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las

calderas son de forma rectangular y los tubos estn conectados a un tambor

de agua en la parte inferior y a un colector de vapor en la parte superior.

Normalmente hay un sobrecalentador por encima de la cmara principal de

combustin. Los productos son por lo general por encima de 20.000 kg/h.

Debido a factores econmicos, las calderas trabajan con carbn pulverizado o

petrleo. Algunas han sido convertidas a gas, tambin pueden trabajar con

dos quemadores de combustible (Rosaler M.).

Figura 1. Calderas Acuotubulares. Fuente: Mejas R. (2006)

16

Economizador

Esta por tubos colocados en forma de serpentines, los cuales van a

absorber el calor producido en la cmara de combustin para transmitirlo al

agua de alimentacin que circula dentro de los tubos de este elemento, es de

tipo de tubos horizontal continuos y ubicados debajo de la seccin horizontal

del precalentador. El economizador est dispuesto como de contracorriente

del gas y agua; siendo el caudal de agua dentro de ste de tipo ascendente

hacia el domo pasando por los tubos longitudinales, tiene un rea de

calentamiento de 8.790 m2, este es el primer componente que se encuentra

en el generador de vapor en sentido del agua y el ultimo en el sentido del flujo

de los gases generados por la combustin (CORPOELEC).

Domo

Es un recipiente cilndrico que comunica con el evaporador con los

sobrecalentadores. Consiste en separar el vapor y el lquido por medio de

separadores centrfugos de vapor Babcock y Wilcox con el propsito de

purifica el vapor de agua lquida, espuma y materias solidas en suspensin

que se ascienden a travs del evaporador, las tuberas de agua de

alimentacin de la descarga del economizador estn conectadas con boquillas

en ambos extremos del domo y el agua es alimentada uniformemente dentro

del domo por tuberas internas de alimentacin instaladas en el mismo, existen

tres conductos descendentes a ambos lados y en el centro del tambor para

que el agua del tambor pueda circular con uniformidad. El dimetro de los

conductos descendentes est proyectado para que produzca una prdida de

presin menor y para aumentar la carga hidrulica efectiva, este tiene:

dimetro interno de 1,829 m con un largo de 19,8 m y espesor de 187 mm

hecho con material SA-299 (CORPOELEC).

17

Sobrecalentadores

Son intercambiadores de calor compuestos por haces de tubos

colocados sucesivamente en los diferentes pasos de gases de la caldera y

absorben calor de estos a travs de los diversos procesos de transferencia de

calor, se compone de una seccin primaria, secundaria y terciaria con dos

atemperadores para controlar la temperatura del vapor, instalados entre la

descarga del sobrecalentador primario y la admisin del secundario y otro en

la descarga del sobrecalentador secundario y la admisin del terciario, el

sobrecalentador primario tiene una rea de transferencia de 1.739 m2, el

secundario 2.260m2 y el terciario 3.450m2 (CORPOELEC).

Evaporador

Est conformado fundamentalmente por las cuatro paredes de tubos

envolventes de horno. Es en el evaporador donde se produce la mayor

transferencia de calor en la caldera, ya que est expuesto directamente a la

radiacin producida en el proceso de combustin, la cual es absorbida por los

tubos y transferida al agua para evapore completamente y pase al domo en

condicin de vapor saturado (CORPOELEC).

Recalentador

Es de tipo de tubos continuo horizontal. La seccin de baja temperatura

est situada en una etapa interior del paso de la caldera, encima del

economizador, y la seccin de alta temperatura es situada encima de

sobrecalentador terciario y dispuesto en contracorriente, al elevar la

temperatura del vapor que ya realizo el trabajo en la turbina de alta presin,

llevndolo de nuevo a los valores de sobrecalentamiento requerido para luego

18

aprovechar esa energa en la turbinas de media y baja presin, tiene un rea

de calentamiento de 12.840 m2 (CORPOELEC).

Estacin de gas Natural

Las plantas industriales pueden recibir el Gas Natural de las Redes de

Distribucin o directamente de los Gasoductos de Transporte, segn las

circunstancias de ubicacin geogrfica, rangos de consumo, normas y

procedimientos existentes y condiciones de comercializacin, en estas

estaciones de gas es donde se filtran partculas y gotas, se miden y registran

flujos, se controla calidad y se regulan los niveles de presin a los establecidos

requeridos en circuitos de distribucin las Redes de Distribucin domiciliarias

e industriales.

Los sistemas de distribucin difieren segn las presiones con que

operan y el material de las tuberas. Respecto de las presiones de distribucin,

las redes pueden ser:

Redes de Alta Presin: se considera Alta Presin, a todo suministro que

supere los 1.96 bares (2 Kg/cm2), y est destinado a abastecer consumos

industriales y a alimentar redes de media y baja presin.

Redes de Media Presin: se considera Media Presin, cuando el

suministro est comprendido entre 0.454 bares (0.5 Kg/cm2) y 1.96 bares (2

Kg/cm2) y se dimensionan de forma tal que en ningn punto de la red se tenga

un valor menor que el lmite inferior, porque esta es la mnima presin con que

trabajan los reductores en las instalaciones domsticas.

Redes de Baja Presin: las redes de Baja Presin, son las que

alimentan directamente a los artefactos de consumo a una presin de 19 mbar

(0.020 Kg/cm2).

19

El primer paso en el circuito interno de gas natural en plantas

industriales lo constituye la Estacin de Regulacin y Medicin Primaria

(E.R.M.P) donde se efectan 3 operaciones principales para

acondicionamiento del gas suministrado a las mejores condiciones requeridas

en cada planta industrial:

Limpieza de las impurezas contenidas en el gas recepcionado y que se

presentan como partculas y gotas.

Regulacin de la presin a los niveles requeridos en los sistemas de

combustin.

Medicin fiscal del flujo de gas natural para efectos de facturacin y

evaluacin de costos operativos (Castillo P.).

Sistemas de medicin de flujos

La medicin del flujo de gas natural en la ERMP sirve para efectos de

medicin fiscal y transferencia de custodia, por lo cual los contadores que

sern admitidos debern estar homologados y verificados por las autoridades

correspondientes, y sern autorizados de acuerdo con las normas que

establezca la Empresa suministradora de gas, pero tambin resulta de la

mayor importancia para desarrollar una efectiva gestin energtica en plantas

industriales.

Distancia mnima 20D Distancia mnima 10D

1 Vlvula de accionamiento 16 Vlvula de cierre

2 Junta dielctrica 17 Vlvula de cierre

3 Manmetro 18 Manmetro de tres vas de

comprobacin

4 Vlvula de cierre 19 Registrador grafico de presin y

temperatura

5 Filtros 20 Termmetros

6 Vlvula de cierre 21 Contador

20

7 Manmetros diferencia 22 Vlvula By Pass del contador

(PRECINTADA)

8 Vlvula de seguridad mxima

y mnima

23 Vlvula de cierre final

9 Piloto o monitor de mando del

regulador

24 Puesta a tierra

10 Regulador de presin 25 Diafragma para la medicin de

volumen inst. (CONTADOR)

11 Vlvula de purga de presin 26 escape a la atmosfera

12 Vlvula de seguridad de

resorte

27 Intercambiador de presin

13 Vlvula de laminacin

14 Manmetro

15 Vlvula de seguridad de

sobre presin al cierre

Figura 2. Sistemas de medicin de flujos. Fuente: Perry Castillo. (2011)

21

Para definir las caractersticas del sistema de medicin debe tomarse

en cuenta que el transporte y distribucin de gas se contabiliza en volumen,

pero en el uso industrial lo que cuenta son las unidades energticas; por esta

razn, se conforman sistemas de medicin de energa total, como el que se

muestra en la figura.

Figura 3. Sistemas de medicin de energa total. Fuente: Perry Castillo. (2011)

El medidor utilizado registra una lectura que es procesada en una

Unidad Correctora que recibe seales de temperatura, presin y anlisis

cromatogrfico del gas natural para entregar un valor en unidades energticas

por unidad de tiempo (Castillo P.).

22

Vlvulas de cierre

Las vlvulas son siempre elementos imprescindibles de toda

instalacin, ya que afectan a la manutencin, entretenimiento y reparacin de

eventuales averas (Castillo P.).

Vlvulas de seguridad

Son vlvulas interceptadoras automticas, de rearme manual, de

mxima y mnima presin a la salida del regulador, situadas antes de ste, y

que garantizan el cierre en caso de sobrepresin o presin insuficiente

(Castillo P.).

Figura 4. Vlvula de seguridad. Fuente: Perry Castillo. (2011)

23

Vlvulas reguladoras

Son aparatos que reducen la presin de gas Pe a la entrada del aparato,

a una presin Ps, inferior a la salida del mismo. Ello es debido a la prdida de

carga creada por la corriente gaseosa, al hacerla pasar por un orificio de

seccin S inferior a la del paso de gas a la entrada y salida del aparato. El

aparato ms sencillo est constituido por un orificio, ms o menos descubierto

por un obturador (vlvula o grifo), maniobrado a mano, para obtener la presin

deseada (Castillo P.).

Figura 5. Vlvula reguladora. Fuente: Perry Castillo. (2011)

Filtros.

Para proteger de la erosin, por las partculas en suspensin en el gas,

a las vlvulas, reguladoras y elementos de medicin es conveniente la

instalacin de algn tipo de separador o filtro (Castillo P.).

24

Figura 6. Filtros. Fuente: Perry Castillo. (2011)

Red interior de tuberas.

El Gas Natural limpio y seco, a la presin suficiente y adecuada para

atender convenientemente todos los requerimientos de consumo en planta, se

distribuye por el sistema de distribucin interno a las Estaciones Secundarias

y trenes de vlvulas de los puntos de consumo directo, donde se acondicionan

para las condiciones exigidas por los sistemas de combustin en cada punto

de consumo. Esta podr ser ms o menos extensa segn existan muchos o

pocos puntos de consumo, y las distancias de los mismos a la estacin

receptora sean ms o menos grandes.

Si las distancias y los caudales no son importantes y los puntos de

consumo pocos y prximos, se podr establecer una red con tubos de

dimetro apropiado para tener una prdida de carga pequea. En este caso,

la presin de distribucin puede ser la necesaria para los quemadores, y el

gas puede tomarse de la estacin receptora a dicha presin incrementada con

las prdidas de carga. Si las distancias y caudales son importantes y los puntos

de consumo estn espaciados, convendr, en aras a la economa del coste de

la red de distribucin, tomar el gas de la estacin receptora a presin de 2 a 5

kg/cm2, y admitir una fuerte prdida de carga en el clculo de las tuberas. En

25

este caso, la presin ser muy variable en los distintos puntos de la red, en

funcin de la distancia a la estacin receptora y de las variaciones de consumo

de los aparatos de utilizacin.

Como stos necesitan para su buen funcionamiento una presin lo ms

constante posible, obligarn a colocar lo ms prximo a ellos o al conjunto de

aparatos dentro de la misma nave, un grupo de regulacin de presin que,

alimentado por la variable y alta presin de la red, alimente los quemadores a

presin constante y apropiada (Castillo P.).

Quemador

Aporta el aire de combustin (comburente) y el combustible, los mezcla

y produce la combustin. Sus caractersticas dependen del combustible,

debiendo disponer de los mecanismos de regulacin que permitan formar una

llama adecuada al hogar o cmara de combustin.

El quemador de ALSTOM Power, de Ncleo de Llama Estratificada de modo

Radial, (RSFC), est diseado para quemar aceite atomizado y/o gas natural

en calderas industriales y de energa con quemadores en pared mientras

mantiene el rendimiento de la unidad y cumple los requisitos medio

ambientales de niveles de opacidad, emisiones de xidos de nitrgeno (NOx),

y monxido de carbono (CO).

El quemador RSFC aplica tres principios asociados a la combustin de

combustibles fsiles con bajo NOx.

Encendido temprano del combustible con condiciones de combustible

enriquecido

Graduar el proceso de combustin

Aumento del tiempo de residencia del combustible

Para aplicar los principios anteriores, el quemador RSFC inyecta el

combustible en una corriente concentrada a travs de una tobera de

combustible rodeada de tres zonas concntricas de aire. Cerca del quemador

26

se consigue el encendido creando un rea de recirculacin cerca de la salida

de la tobera de combustible en donde hay una zona rica en combustible.

Para graduar el proceso de combustin, el quemador RSFC arremolina

el aire de combustin ms fro y de mayor densidad alrededor del ms caliente

y de menor densidad del ncleo de combustible. Las fuerzas centrfugas

creadas por el aire de combustin que se arremolina retardan el proceso de

mezcla con el combustible. El tiempo de residencia del combustible dentro de

la zona de llama aumenta al regular las velocidades que salen por la tobera de

combustible y las tres zonas de aire de combustin. Las diferencias de

velocidades crean modelos internos de recirculacin dentro de la llama

(ALSTOM POWER)

Figura 7. Esquema del quemador RSFC. Fuente: ALSTOM POWER. (2001)

Ventilador de tiro forzado (V.T.F).

Es un ventilador centrfugo que toma el aire de la atmsfera a 30 C y

lo succiona para descargarlo en un ducto cuadrado de metal a cierta presin

baja en mmca (milmetro de columna de agua) para que llegue al hogar

(CORPOELEC).

27

Ventilador recirculador de gases (V.R.G).

Es un ventilador centrfugo que absorbe parte de los gases de

combustin y lo inyecta por debajo del generador de vapor para subir la

temperatura en el hogar y disminuir el consumo de combustible

(CORPOELEC).

Calentador de aire con condensado (C.A.C).

Son varios paneles compuesto cada uno por un colector (entrada de

condensado) superior, unido a otro similar colector inferior (de descarga)

mediante tubos con aletas, para una mejor transferencia de calor entre el

condensado en su interior (proveniente de los CAV) y el aire que pasa entre

los tubos con aletas (CORPOELEC).

Figura 8. Esquema de CAC. Fuente: CORPOELEC. (2001)

Calentador de aire con vapor (C.A.V):

Son varios paneles compuesto cada uno por un colector (entrada de

vapor) superior, unido a otro similar colector inferior (de descarga) mediante

tubos con aletas, para una mejor transferencia de calor entre el vapor en

su interior (colector de vapor auxiliar) y el aire que pasa entre los tubos con

aletas (CORPOELEC).

28

Calentador de aire regenerativo (C.A.R) o LUVO

Es un intercambiador de calor gas-gas, circular, de 5 mts de dimetro

por uno de alto, que rota a una velocidad de 1 a 3 rpm, debido a

un motor acoplado a una caja reductora de engranajes. Estos "luvos" estn

compuestos por lminas corrugadas (u onduladas) paralelas y concntricas a

su eje de rotacin. A la entrada y salida del precalentador, se conforma un

ducto con una pared divisoria longitudinalmente que origina dos secciones

(canales) en el precalentador: un canal para el aire y otro (en sentido contrario)

para los gases. A medida que el "Luvo" gira, los gases de combustin, que

vienen de atravesar y calentar los serpentines del economizador, entran al

precalentador y pasan paralelamente entre las planchas corrugadas y las

calientan. Debido al constante giro, estas planchas ya calientes, se colocan en

el paso o trayectoria del aire, saliendo este ltimo con una temperatura de

312C, rumbo al hogar de la caldera para la combustin. Luego estas lminas

enfriadas por el aire se colocan nuevamente, debido a la constante rotacin,

en la trayectoria de los gases para ser calentadas nuevamente, y as

sucesivamente (CORPOELEC).

Figura 9. Esquema de CAR o LUVO. Fuente: CORPOELEC. (2001)

29

Ciclos de potencia

Los dispositivos y sistemas usados para producir una salida neta de

trabajo son llamados motores y los ciclos termodinmicos en que operan se

denominan ciclos de potencia (Renedo C.).

Ciclo de Potencia de Vapor

Estos ciclos termodinmicos la energa qumica del combustible es

transferida al vapor para luego convertirla en trabajo, en este ciclo el fluido se

mantiene en fase gaseosa la mayor parte del proceso (Cengel Y.).

Ciclo Rankine

Es el ciclo ideal para las centrales elctricas de vapor, este ciclo ideal

no incluye ninguna irreversibilidad interna y est compuesto de los siguientes

cuatro procesos: Etapa 1, compresin isotrpica en una bomba. Etapa 2,

adicin de calor a presin constante en una caldera. Etapa 3, expansin

isotrpica en una turbina. Etapa 4, rechazo de calor a presin constante en un

condensador.

El agua entra a la bomba en el estado 1 como lquido saturado y se

condensa isotrpicamente hasta la presin de operacin de la caldera. La

temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresin

isotrpica debido a una ligera disminucin en el volumen especfico del agua.

El agua entra a la caldera.

Como lquido comprimido en el estado 2 y Sale como vapor

sobrecalentado en el estado 3. La caldera es bsicamente un gran

intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de

30

combustin, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua

esencialmente a presin constante. El vapor sobrecalentado en el estado 3

entra a la turbina.

Donde se expande isotrpicamente y produce trabajo al hacer girar el

eje conectado a un generador elctrico. La presin y la temperatura del vapor

disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el

vapor entra al condensador. El vapor se condensa a presin constante en el

condensador, el cual es bsicamente un gran intercambiador de calor,

rechazando el calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un ro o la

atmsfera (Cengel Y.).

Figura 10. Esquema de ciclo Rankine. Fuente: Cegel. (2005)

Ciclo Rankine Regenerativo y recalentamiento intermedio

Considere una central elctrica de vapor que opera, con dos

calentadores de agua de alimentacin, uno abierto y otro cerrado, adems de

un recalentador. El vapor entra a la turbina y se condensa a una presin. Una

31

parte de vapor se extrae de la turbina a para el calentador cerrado, mientras

que el resto se recalienta a la misma presin, El vapor extrado se condensa

por completo en el calentador y se bombea antes de mezclarse con el agua

de alimentacin a la misma presin. El vapor para el calentador abierto se

extrae de la turbina de baja presin a una presin (Cengel Y.).

Figura 11. Esquema de ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento intermedio.

Fuente: Cengel. (2005)

Maquinas trmicas.

Es un dispositivo mecnico que realiza un trabajo intercambiando calor con

unos manantiales (Martin F.)

Figura 12. Principio de mquinas terminas. Fuente: Holman. (2000)

32

Calor

Durante muchos aos se crey que el calor era un componente que

impregnaba la materia y que los cuerpos lo absorban o desprendan segn

los casos. La llama que se observa en esta vista es una manifestacin del

calor, pero no es el calor. El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si

puedes percibir los efectos del a travs de sus diferentes manifestaciones.

El calor es por lo tanto una forma de energa. Es la "energa calorfica". Un

ingls llamado J.P. Joule hall su equivalencia con las unidades del trabajo

(Castillo P.).

Transferencia de calor

Es la energa en trnsito debido a una diferencia de temperaturas en un

cuerpo o entre cuerpos diferentes. Siempre que exista una diferencia de

temperatura, la energa se transfiere, de la regin de mayor temperatura a la

de menor temperatura, De acuerdo con los conceptos de la Termodinmica,

la energa que se transfiere como resultado de una diferencia de temperatura,

es el calor (Panana A.).

Transferencia de calor por conveccin

Cuando un fluido a TF se pone en contacto con un slido cuya superficie

de contacto est a una temperatura distinta TS, al proceso de intercambio de

energa trmica se denomina CONVECCIN (Panana A.).

Este tipo de mecanismo de transferencia de calor se clasifica en:

Conveccin libre o natural: ocurre cuando la fuerza motriz procede de

la variacin de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una

33

superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascensionales, el

fluido prximo a la superficie adquiere una velocidad debida nicamente a esta

diferencia de densidades, sin ninguna fuerza motriz exterior (Panana A.).

Ejemplo: La conveccin en un tanque que contiene un lquido en reposo en el

que se encuentra sumergida una bobina de calefaccin.

Conveccin forzada: tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior

mueve un fluido con una velocidad (v), sobre una superficie que se encuentra

a una temperatura Ts mayor o menor que la del fluido Tf, como la velocidad

del fluido en la conveccin forzada es mayor que en la conveccin natural, se

transfiere por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada

temperatura (Panana A.). Ejemplo: El radiador de un coche tiene un ventilador

que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que contiene.

Transferencia de calor por radiacin

Mientras que la conduccin y la conveccin trmica tienen lugar slo a

travs de un medio natural, la Radiacin trmica puede transportar el calor a

travs de un fluido o del vaco, en forma de ondas electromagnticas o fotones

como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas de los

tomos o molculas, estos se propagan a la velocidad de la luz.

La cantidad de energa que abandona una superficie en forma de calor

radiante depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y tambin

la naturaleza de la superficie (Panana A.).

Ejemplo: El calentamiento del sol a la tierra es un ejemplo claro de

transferencia de calor por radiacin.

34

Temperatura.

Es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio

o fro que puede ser medida con un termmetro. En fsica, se define como

una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema

termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica. Ms

especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa

interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los

movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslaciones,

rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energa

cintica de un sistema, se observa que ste se encuentra ms caliente; es

decir, que su temperatura es mayor (Cengel).

Eficiencia

Es uno de los trminos ms usados en termodinmica, e indica qu tan

bien se realiza un proceso de conversin o transferencia de energa. Asi-

mismo, este trmino resulta uno de los que en general son mal usados en

termodinmica, adems de ser una fuente de malas interpretaciones. Esto se

debe a que se usa sin una definicin adecuada. Lo cual se aclara a continua-

cin y se definen algunas de las eficiencias ms usadas en la prctica.

El desempeo o eficiencia se expresa en trminos de la salida deseada y la

entrada requerida, de la siguiente manera:

= salida deseada

entrada requerida

Si acude a una tienda a comprar un calentador de agua, un vendedor

experto le dir que la eficiencia de uno elctrico es de alrededor de 90 por

35

ciento. Es posible que esto sea confuso dado que los dispositivos de ca-

lentamiento de los calentadores elctricos son resistencias, y la eficiencia de

stas es de 100 por ciento porque convierten en energa trmica toda la

energa elctrica que consumen. El vendedor aclarara todo si explicara que

las prdidas de calor del depsito de agua caliente al are circundante

equivalen a 10 por ciento de la energa elctrica consumida. La eficiencia de

un calentador de agua se define como la relacin entre la energa que el agua

caliente entrega a la casa y la energa suministrada al calentador de agua.

La eficiencia para un calentador de agua a base de gas, es mucho

menor que la de un calentador elctrico. Por regla general, la eficiencia de

equipo que quema combustible se basa en el poder calorfico del combustible,

el cual es la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una

cantidad unitaria de combustible y un producto de la combustin se enfran a

la temperatura ambiente.

Entonces el rendimiento del equipo de combustin se puede caracterizar por

la eficiencia de combustin, la cual se define como

combustion =

=

Una eficiencia de combustin de 100 por ciento indica que el

combustible se quema completamente y los gases residuales salen de la

cmara de combustin a temperatura ambiente; en consecuencia, la cantidad

de calor liberar da durante un proceso de combustin es igual al poder

calorfico del combustible.

La mayor parte de los combustibles contienen hidrgeno, que forma

agua durante la combustin. El poder calorfico de un combustible ser

diferente dependiendo de si el agua en los productos de la combustin se halla

en forma lquida o de vapor. El poder calorfico se denomina poder calorfico

inferior o LHV (lower heating value) cuando el agua sale como vapor, y poder

36

calorfico superior o HHV (higher heating value) cuando el agua en los gases

de combustin se condensa por completo, de manera que tambin se recupera

el calor de vaporizacin. La diferencia entre estos dos poderes calorficos es

igual al producto de la cantidad de agua y la entalpia de vaporizacin del agua

a temperatura ambiente. Por ejemplo, los poderes calorficos inferior y superior

de la gasolina son 44 000 kJ/kg y 47 300 kJ/kg, respectivamente.

Una definicin de eficiencia debera dejar claro si se basa en el poder

calorfico inferior o superior del combustible. Las eficiencias de los motores de

automviles y aviones a reaccin normalmente se basan en poderes

calorficos inferiores pues regularmente el agua sale en forma de vapor en los

gases de escape y resulta imprctico intentar recuperar el calor de

vaporizacin. Por otro lado, las eficiencias de los hornos se basan en poderes

calorficos superiores.

La eficiencia de los sistemas de calefaccin de edificios residenciales y

comerciales se expresa comnmente en trminos de la eficiencia anual de

utilizacin de combustible, o EAUC, la cual representa la eficiencia de

combustin y otras prdidas como las de calor hacia reas no calentadas, de

encendido y de enfriamiento. La EAUC de la mayor parte de los nuevos sis-

temas de calefaccin es aproximadamente de 85 por ciento, mientras que la

de algunos viejos sistemas es inferior a 60 por ciento. La EAUC de algunos

hornos nuevos de alta eficiencia es mayor a 96 por ciento, pero el alto costo

de stos no se justifica para localidades con inviernos ligeros a moderados.

Estas eficiencias se logran al recuperar la mayor parte del calor contenido en

los gases residuales, condensar el vapor de agua y descargar dichos gases

con temperaturas bajas de 38C (o 100F) en lugar de casi 200C (o 400F)

de los modelos estndar.

Para los motores de automviles la salida de trabajo se entiende como

la potencia entregada por el cigeal, pero para las centrales elctricas el

trabajo producido puede ser la potencia mecnica en la salida de la turbina, o

la salida de potencia elctrica del generador.

37

Un generador es un dispositivo que convierte energa mecnica en

energa elctrica, y su efectividad se caracteriza por la eficiencia del

generador, que es la relacin entre la salida de potencia elctrica y la entrada

de potencia mecnica. La eficiencia trmica de una central elctrica, la cual es

de primordial inters en termodinmica, se define como la relacin entre la

salida neta de trabajo en la flecha de la turbina y la entrada de calor al fluido

de trabajo. Los efectos de otros factores se incorporan mediante la definicin

de una eficiencia global para la central elctrica, a partir de la relacin entre la

salida neta de potencia elctrica y la tasa de entrada de energa del

combustible. Es decir,

global = combustion . termica . generador = Wneto electrico

HHV . m

Las eficiencias globales estn entre 25 y 30 por ciento para motores de

automviles de gasolina, entre 34 y 40 por ciento para los de disel y entre 40

y 60 por ciento para las grandes centrales elctricas (Cengel Y.).

Poder calorfico

Tambin llamada potencia calrica de los combustibles queda definida

como la cantidad de calor liberada por la combustin de una unidad de

volumen o peso de un combustible y se expresa comnmente en Kg. /Kcal,

BTU/Lb, BTU/Galn.

Es necesario el conocimiento de este valor cuando se considera la

eficiencia trmica del equipo, tanto para producir fuerza como para producir

calor; en clculos de determinacin de eficiencia, el valor considerado es el

poder calorfico neto o poder calorfico inferior, por lo que a continuacin

hacemos una diferencia entre este y el poder calorfico bruto o superior.

38

Teora inorgnica de la combustin

La energa de disociacin del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar

la misma coincidencia en cualquier otro hidrocarburo, descubrimos el hecho

extraordinario de que todos los combustibles, mezclas carbono/hidrgeno con

contenidos variables de impurezas, se disocian en sus componentes antes de

quemarse, lo que significa que la combustin siempre se producir en forma

elemental y bsica, a travs de las reacciones : C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 =

2H2O Todos los combustibles industriales, sin excepcin, siempre se

quemarn en la misma forma, no interesando para fines prcticos las mltiples

posibilidades de reacciones intermedias, lo cual simplifica totalmente la

concepcin, anlisis, evaluacin y control de la combustin.

La Qumica Orgnica se ocupa del estudio de los componentes que

forma el carbono, aprovechando la extraordinaria capacidad de combinacin

que le permite su tetravalencia; al demostrar que los combustibles se disocian

en sus componentes antes de quemarse, la combustin se producir por

oxidacin del Hidrgeno y el Carbono, en el campo inorgnico, resultando el

nombre ms adecuado para esta formidable simplificacin tecnolgica: Teora

Inorgnica de la Combustin pudiendo ser enunciada en la siguiente forma:

Todos los combustibles industriales son combinaciones carbono/hidrgeno y

se disocian en sus componentes antes de quemarse, producindose la

combustin siempre en forma bsica y elemental: C + O2 = CO2 y 2H2 + O2

= 2H2O

39

Figura 13. Mecanismo de combustin del metano. Fuente: Perry Castillo. (2011)

Los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono

e hidrgeno, con un contenido, tambin variable, de impurezas. El carbono e

hidrgeno contenidos en cualquier combustible slido, lquido o gaseoso, sea

cual fuere la forma qumica en que se encuentren combinados, se disociarn

a su forma elemental antes de reaccionar con el oxgeno disponible.

En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del hidrgeno

con el oxgeno, son siempre elementales y nicas: C + O2 = CO2 y H2 + O2

H2O Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el combustible,

se disociar en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta concepcin

simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las reacciones de

combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los clculos

estequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control. Sea un

combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2 kg

de hidrgeno. En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del

hidrgeno con el oxgeno, son siempre elementales y nicas: C + O2 CO2 H2

+ O2 H20 Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el

combustible, se disociar en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta

40

concepcin simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las reacciones

de combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los clculos

estequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control. Sea un

combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2 kg

de hidrgeno (Castillo P.).

Figura 14. Reaccin y poder calorfico de varios hidrocarburos. Fuente: Perry Castillo.

(2011)

Llama

Es el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de

combustin, produciendo radiaciones luminosas de origen tanto trmico como

qumico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyen

manifestaciones de las condiciones en que se efecta la generacin de calor.

En trminos prcticos, podramos definir a la llama como "el espacio

donde se realiza la combustin", o tambin, como "la manifestacin visible de

la combustin", cuando se trata de combustibles slidos y lquidos. La mezcla

combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es su creador,

41

vigilante y mantenedor. La creacin y mantenimiento de una llama apropiada

(Castillo P.).

Temperaturas de la llama

Se denomina temperatura terica de combustin, temperatura

adiabtica de combustin o temperatura de combustin calorfica, a la que se

obtendra en una combustin estequiometria, con mezcla perfectamente

homognea y en un tiempo brevsimo que no d tiempo a prdidas calorficas

con el ambiente (Castillo P.).

Para el clculo terico de la temperatura adiabtica de llamas se utiliza

la siguiente frmula:

=

.

Ta: Temperatura adiabtica de llama;

PCI: Poder Calorfico Inferior;

Vg: Volumen de gases de combustin;

Cp: Calor Especfico de los gases de combustin

Figura 15. Temperatura de llama de varios componentes. Fuente: Perry Castillo (2011).

42

Gasodinmica de la combustin

El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que acta

dinmicamente sobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad y

succionando aire o gas de los alrededores. El chorro se proyecta en la

direccin prevista, perdiendo velocidad y succionando gas de los alrededores

Figura 16. Representacin de gasodinamica del quemador. Fuente: Perry Castillo

(2011).

En calderos acuotubulares la adecuacin de la forma de llama a las

geometras rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitido

conseguir una reduccin formidable de sus dimensiones, consiguiendo

unidades cada vez ms grandes en capacidad de generacin de vapor pero

mucho ms compactas, ahorrando espacio, materiales y energa, porque

tambin resultan considerablemente ms eficientes (Castillo P.).

Emisividad de la llama

Cuando esta energa alcanza otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse,

otra parte puede ser transmitida a travs del cuerpo receptor, cuando es

43

diatrmico y finalmente el resto es absorbido. La radiacin trmica se asocia a

una radiacin electromagntica con un intervalo de longitudes de onda entre

0,01 y 100 micras.

Para calcular el calor transmitido por radiacin se aplica la frmula:

= . (14 24)

Qr: calor emitido por radiacin por m2 y hora (Kcal/h.m2);

C: constante de valor = 4,92 x 10-8 h.m20K4;

: emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante;

T1: Temperatura del cuerpo emisor 0K (0C + 273);

T2: Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273).

Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez

depende de la permanencia de las partculas en estado incandescente. La

emisividad de llamas de carbn, petrleo y gas natural se puede observar en

la figura, La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar

compensarse, demorando la disponibilidad de las partculas para que se

produzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia de calor

por radiacin (Castillo P.).

Figura 17. Emisividad de la llama segn su combustible. Fuente: P. Castillo (2011).

44

Aire de combustin

Los combustibles son almacenes de energa qumica formados por la

naturaleza durante millones de aos, que se transforma en energa trmica, al

reaccionar sus componentes bsicos, Hidrgeno y Carbono, con el oxgeno.

La fuente de oxgeno para la combustin ms abundante, barata y fcil de

manejar es, indudablemente, el aire.

Esta condicin de fuente inagotable de oxgeno y la permanente

disponibilidad del aire en cualquier condicin de tiempo y espacio, conduce

con frecuencia al error de minimizar su importancia en el proceso de

combustin.

Se llama comburente al aire o al oxgeno que participa en la oxidacin

de la materia combustible liberando luz y calor en el proceso llamado

combustin. Debe asegurarse de que tanto el combustible empleado como el

aire de combustin sean aportados al quemador en las condiciones previstas

en su diseo. Para efectos prcticos resultar suficientemente correcto

considerar la siguiente composicin, a nivel del mar, en condiciones normales

de presin (760 mm de Hg) y temperatura (0C) (Castillo P.).

Nitrgeno: 79% en volumen (77% en peso)

Oxgeno: 21% en volumen (23% en peso)

Exceso de aire

Finalmente, para conseguir la combustin completa ms prxima a la

terica y segn el estado fsico del combustible (granos, polvo, lquidos, gases

y dispersiones) es preciso emplear una proporcin de oxgeno superior a la

terica por razones fsicas de contacto que despus detallaremos. De aqu el

llamado exceso de aire sobre el terico necesario. Este exceso de aire

45

conlleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al propsito de la

combustin:

1 Disminucin de la temperatura mxima posible, al aumentar la cantidad de

gases en la combustin.

2 Variacin sensible en cuanto a la concentracin de los xidos formados, en

el nitrgeno del aire empleado (Castillo P.).

Poder calorfico del aire.

A nivel del mar, el poder calorfico del aire siempre ser de 890

Kcal/m3N; al realizarse la combustin a ms altura, este valor disminuir

progresivamente, por disminuir gradualmente el contenido de oxgeno por

metro cbico (Castillo P.).

Gas natural.

Constituye una mezcla de hidrocarburos y pequeas cantidades de

compuestos no-hidrocarburos en fase gaseosa o en solucin con el petrleo

crudo a nivel de reservorio. Es un gas incoloro con poder calorfico de

aproximadamente 8500 cal/m3, constituyendo una energa eficaz, rentable y

limpia. El gas directo que se distribuye a nuestros hogares, comercios e

industrias a travs de los sistemas de tuberas, se denomina gas metano por

contener el mayor porcentaje de contenido de CH4. Est constituido tambin

principalmente por propano y butano.

Gas

Natural

Componente Nomenclatura Estado

Natural

Metano CH4 Gas GNC/GNV

Etano C2H6 Gas

46

Tabla 1. Contenido del gas natural. Fuente: Perry Castillo (2011).

Para el Gas Natural con 95% de metano utilizado como ejemplo, el

nomograma elaborado que se muestra en la figura

Siendo la relacin Carbono/Hidrgeno la mnima posible para el

metano, componente principal del gas natural, el volumen requerido de aire

(oxgeno) para completar su combustin ser siempre mayor que el de

cualquier otro combustible. Podemos comparar los volmenes de gases de

combustin requeridos para generar 1.000 Kcal, utilizando gas natural,

petrleo residual y carbn mineral con un 10% de exceso de aire de

combustin, 1.000 Kcal obtenidas con gas natural producen 1.46 m3N de

gases de combustin (Castillo P.).

Propano C3H8 Gas Licuable LGN GLP

Butano C4H10 Gas Licuable

Pentano C5H12 Lquido

Hexano C6H14 Lquido

Nitrgeno N2 Gas

Gas Carbnico CO-CO2 Gas

Sulfuro de

Hidrgeno

H2S Gas

Hidrgeno H2S Gas

Agua H2O Gas

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Figura 18. Poder calorfico del gas natural. Fuente: Perry Castillo (2011).

Anlisis ORSAT

Mediante el aparato de Orsat se puede efectuar el anlisis de

determinados productos de la combustin, a partir del cual es posible calcular

la relacin aire - combustible, y el grado de efectividad de la combustin, este

proceso consiste en obtener una muestra de los productos de la combustin y

determinar el porcentaje en volumen de cada gas componente.

El Aparato de Orsat es un analizador de gases usado para determinar

la composicin de una muestra de gases. Durante un anlisis una muestra es

pasada a travs de lquidos absorbentes que remueven componentes

especficos.

El volumen del gas es medido antes y despus de la absorcin. La

disminucin en el volumen del gas representa la cantidad del componente que

48

estuvo presente. Los volmenes del gas son medidos a temperatura y a

presin constante.

Dicho aparato consiste en una bureta graduada de cincuenta mililitros o

cien ml, con escala de cero a cien, conectada por su parte inferior por medio

de un tubo de goma a un frasco nivelador, y en su parte superior a tres (3)

recipientes dobles que contienen sustancias apropiadas para absorber los tres

gases objeto de la medicin. Cada uno de los tres recipientes consisten en dos

tubos anchos unidos por un tubo pequeo en forma de U, todos con una

vlvula que permite el paso y la salida del gas que es objeto de anlisis; la

bureta est rodeada por un cilindro lleno de agua con el objeto de mantener la

temperatura del gas.

En el primer recipiente se coloca una solucin de hidrxido de sodio (33

gramos en 100 centmetros cbicos de agua) esta absorbe el dixido de

carbono, en el segundo recipiente se coloca una mezcla de dos soluciones,

(10 gramos de cido piroglico en 25 centmetros cbicos de agua y potasa

custica en la misma proporcin que en el envase nmero 1), esta mezcla

absorbe el O2 (oxigeno); en el tercer recipiente se coloca cloruro cuproso (250

gramos de cloruro amnico en 750 centmetros cbicos de agua y se agregan

250 gramos de cloruro cuproso); conviene colocar en el frasco que contiene

los reactivos algunos tejidos de cobre para que haya mayor absorcin.

Los motores de combustin interna poseen varios cilindros en los

motores equipados con carburador, solo una pequea porcin de combustible

vaporizado se separan en el mltiple de admisin las gotas y se dirigen a los

distintos cilindros, lo que se traduce en una variacin de la relacin aire-

combustible, a su vez se origina en la entrada de cada uno de los cilindros una

variacin sustancial de la composicin de los gases de escape, por esto es

necesario realizar el anlisis con diferentes muestras y luego promediar los

resultados.

Se logra observar en el manual de la casa FISHER, un aparato que

posee dos pipetas de absorcin ms una contiene un reactivo, cido sulfrico

49

que se encarga de absorber CO, O, CO2 en caso de que reste algo en la

muestra la otra pipeta se denomina pipeta de absorcin de baja combustin,

consiste en una resistencia graduada con un restato para que la luz sea de

un amarillo brillante, esta pipeta se encarga de quemar los hidrocarburos no

saturados al exponer la muestra a la resistencia por un tiempo determinado.

ASME PTC 4.1

Mantener la eficiencia ptima de las calderas, no slo minimiza las

emisiones CO2, conserva dinero recursos y ahorra combustible. Por lo tanto,

se debe vigilarse peridicamente la eficiencia de las calderas, especialmente

en plantas de vapor industrial y calefaccin ms grande. Sin embargo,

generalmente, se dirige slo una vez o dos veces al ao, por un tcnico de

configurar los controles automticos y cuyo enfoque es ms probable en la

operacin segura, sin problemas de eficiencia ptima.

El estndar para determinar la eficiencia de las calderas en Amrica del

norte es el cdigo de prueba de potencia de ASME (ASME PTC 4.1-1964,

reafirm en 1973, tambin conocido como ANSI PTC 4.1-1974, reafirm

1985.). El ASME ha publicado cdigos de prueba adicionales, como los

generadores de vapor del recuperacin de calor de aire calentadores, (PTC

41), turbina de gas (PTC 4.4), grandes incineradores (PTC 33) y motores de

combustin interna (PTC 17) alternativo. Como muestra la figura, hay

numerosas entradas y salidas que afectan la eficiencia de la caldera, y

tratando de evaluar a