Introducción
A principios de los años sesentas, aumentó la conciencia mundial de que el crecimiento industrial y la producción de energía a partir de combustibles fósiles se acompañan de la liberación de contaminantes potencialmente nocivos en el medio ambiente (Kitto & Stultz, 2005).
Existe una fuerte relación entre la eficiencia energética y el impacto ambiental, ya que para los mismos servicios o productos, una menor utilización de los recursos y la contaminación normalmente se asocian con una mayor eficiencia energética (Dincer & Rosen, 1998).
La preocupación creciente por el ahorro de energía ha fomentado un examen crítico de los métodos utilizados para evaluar e incrementar la eficiencia de los procesos industriales. Como respuesta, la atención se ha centrado recientemente en técnicas de análisis basados en el Segundo Principio de Termodinámica, en particular, en el concepto de exergía (Lozano, 1987). La exergía es fundamentalmente la propiedad del sistema que ofrece el máximo potencial que puede extraerse del sistema cuando se lleva a un estado de equilibrio termodinámico desde un estado de referencia (Ayhan & Demirtas, 2001; Sami et al., 2011).
En los últimos años, debido a la escasez de combustibles fósiles y su lógico encarecimiento, es evidente la importancia del desarrollo de sistemas térmicos que hagan un uso efectivo de estos recursos energéticos no renovables como petróleo, gas natural y carbón mineral. El método del análisis exergético es especialmente adecuado para conseguir un uso eficiente de los recursos energéticos, pues permite determinar la localización, tipo y magnitud real de su pérdida y despilfarro.
Un generador de vapor pirotubular o de tubos de fuego es una máquina térmica donde se obtiene vapor de agua. Este vapor se genera cuando los gases producto de la combustión pasan por dentro de los tubos, los cuales se encuentran bañados por agua, de donde surge el vapor saturado que se produce, el cual se conduce por las líneas de distribución hasta los consumidores que generalmente son: las cocinas, las tintorerías, hospitales, entre otros.
El uso eficiente de los recursos energéticos se conseguirá reduciendo tanto como sea posible la destrucción de exergía en los sistemas, es decir, disminuir las irreversibilidades de los procesos que ocurren dentro de los sistemas. Esto permitirá centrar la atención en aquellos aspectos de la operación del sistema analizado, ya que ofrecen mayores oportunidades de mejora.
La investigación tuvo como objetivo determinar si el generador de vapor es el adecuado para las condiciones reales de operación y de proceso, así como de las oportunidades para incrementar su eficiencia. Se partió de la hipótesis de que si se determinan los rendimientos energéticos y exergéticos del generador de vapor es posible conocer la magnitud de la influencia de las variables operacionales que lo afectan.
Materiales y métodos
La investigación se realizó en un generador de vapor pirotubular compacto modelo CMS-660. Este trabaja con combustible diésel regular (Rodríguez, 2014) y su composición gravimétrica se obtuvo de la ficha técnica que proporciona el suministrador. Tiene una capacidad nominal para la producción de vapor de 660 kg/h, produce un vapor saturado con una presión de 0.49 MPa y tiene una superficie de intercambio térmico con el fluido a calentar de 19.6 m2. Las paredes exteriores cilíndricas tienen una temperatura de trabajo de 34 ºC y el resto de las paredes 42 ºC. El agua de alimentar se precalienta mediante una extracción del vapor saturado y entra al generador a 80 ºC. El condensado del proceso no se recupera por error de diseño de la instalación. La temperatura de los gases de escape es de 200 ºC. Es preciso conocer las propiedades de todas las sustancias de trabajo que entran y salen del generador de vapor para realizar los balances de masa, energía, entropía y exergía (Figura 1).
Balance de masa
Los flujos de combustible, agua de alimentar y vapor saturado se obtuvieron a partir de mediciones directas y otros mediante la aplicación del balance de masa. Para determinar el flujo másico del aire se consideró que la combustión es completa, se midió el coeficiente de exceso de aire real y se determinó el volumen de aire teórico para combustionar un kilogramo de combustible. Al multiplicar el volumen de aire teórico por el coeficiente de exceso de aire, se obtuvo el volumen de aire real. El volumen de aire real se multiplicó por el flujo másico del combustible que entra a la caldera y se obtuvo el flujo volumétrico de aire. Este flujo volumétrico es el que se multiplica por la densidad del aire para obtener el flujo másico del aire. El flujo másico de los gases de escape se obtiene mediante la ecuación (1):
Balance de energía
Aplicando la ley de conservación de la energía se obtiene la ecuación (2):
La entalpía del aire se consiguió de la tabla A17 del Cengel (Kitto & Stultz, 2005; Çengel & Boles, 2012), las del agua de alimentar y el vapor de agua se obtuvieron de la Tabla A4 del libro de Cengel (2012). La entalpía de los gases de escape se determinó a partir de mediciones realizadas con el analizador de gases. El poder calórico inferior (PCI) del combustible se comprobó por la ecuación (3) (Pankratov, 1987; Rubio, 2015).
El calor rechazado se calculó por la ecuación de enfriamiento de Newton (ecuación 4). Las paredes de la caldera se encuentran a temperaturas relativamente bajas, por tanto, solo se tomó en cuenta el calor rechazado por el mecanismo de convección natural (ecuación 4) (Çengel & Boles, 2012; Pávlov et al., 1981).
Cálculo de rendimiento energético por el método directo
El cálculo del rendimiento energético del generador de vapor se calculó por la ecuación (5) (Ohijeagbon et al., 2013):
Cálculo del rendimiento energético por el método indirecto
Este método se puede aplicar sin necesidad de conocer la producción de vapor y el consumo de combustible (Oliva, 2012).
El rendimiento
Donde (Nordelo & González, 2010):
q 2 = |
Pérdidas de calor con los gases de escape |
q 3 = |
Pérdidas de calor por incompleta combustión química |
q 4 = |
Pérdidas de calor por incompleta combustión mecánica |
q 5 = |
Pérdidas de calor por radiación y convección al medio ambiente |
q 6 = |
Pérdidas con el calor físico de las cenizas |
q 7 = |
Pérdidas por las purgas |
Las ecuaciones con las que se determinaron las pérdidas energéticas se representan en la Tabla 1.
Tipo de pérdida | Ecuación | |
q2 |
|
(7) |
q3 |
|
(8) |
q4 | Esta pérdida tiene su
origen en el hecho de que, en ocasiones, en una combustión
real, una pequeña parte de las sustancias combustibles no combustionan |
|
q5 |
|
(9) |
q6 | Esta pérdida
generalmente aparece cuando se queman combustibles sólidos y
en menor medida en combustibles líquidos |
|
q7 | Esta pérdida se desprecia, pues para generadores de vapor
pirotubulares no llegan a 2 % de las pérdidas totales |
Balance de exergía
Se realizó para conocer las irreversibilidades del sistema. El ambiente de referencia es de 298.15 K de temperatura y una atmósfera técnica de presión.
La exergía de un flujo de materia puede dividirse en distintos componentes (Dincer & Rosen, 2013; Kotas, 1985; Oliveira, 2013):
Donde:
B, BC,BP,BF y BQ = |
la exergía total de la sustancia, exergía cinética, exergía potencial, exergía física y exergía química respectivamente (kW). |
Para la instalación a analizar, la ecuación resultante (12) es:
Para el aire se despreció la exergía física porque este posee prácticamente las mismas propiedades del ambiente de referencia, (Tabla 2). Con la presión de salida del vapor saturado y con el título se localiza la entropía del agua de alimentar en la Tabla A4 del libro de Çengel y Boles (2012). En el combustible, para la exergía química específica, existe una expresión general dada en el anexo C del libro de Kotas (1985). Szargut y Styrylska (1964) asumen que la relación de exergía química con el valor calorífico neto de los combustibles sólidos y líquidos industriales, es la misma que la de las sustancias químicas puras que tienen las mismas proporciones de componentes químicos (Kotas, 1985). Para los gases de escape (Tabla 2).
Sustancia de trabajo | Ecuación | |
Aire |
|
(13) |
Agua de alimentar |
|
(14) |
Vapor saturado |
|
(15) |
Combustible |
|
(16) |
Potencia eléctrica | La energía eléctrica puede convertirse completamente en trabajo (Querol et al., 2013). | |
Calor rechazado |
|
(17) |
Gases de escape |
|
(18) |
Las ecuaciones con las que se determinaron las exergías de cada sustancia se presentan en la Tabla 2.
Los valores de
Balance de entropía
Se realizó para determinar las irreversibilidades a partir de la entropía generada en el proceso.
Las ecuaciones con las que se determinó la entropía de cada sustancia se representan en la Tabla 3.
Sustancia de trabajo | Ecuación | |
Aire |
|
(20) |
Agua de alimentar | Tabla A-4 (Çengel & Boles, 2012) | |
Vapor saturado | Tabla A-4 (Çengel & Boles, 2012) | |
Combustible |
|
(21) |
Calor rechazado |
|
(22) |
Gases de escape |
|
(23) |
Resultados y discusión
La instalación tiene una producción real de vapor de 457.2 kg/h con un consumo de combustible de 0.008 kg/s. La demanda de vapor del proceso fue de 114.3 kg/h (Tabla 4).
Variables | Energía (kW) | Exergía (kW) | Entropía (kW/K) |
Aire | 31.057 | 0.575 | 0.1684 |
Combustible | 339.590 | 362.664 | 0.0265 |
Gases de escape | 52.365 | 14.838 | 0.1107 |
Agua de alimentar | 42.545 | 32.194 | 0.1366 |
Vapor saturado | 348.806 | 175.393 | 0.8670 |
Calor rechazado | 0.259 | 0.0126 | 0.0008 |
Rendimiento Método Directo | 0.901 | ||
Rendimiento Método Indirecto | 0.882 | ||
Irreversibilidades (kW) | 206.190 | ||
Irreversibilidades Gouy-Stodola (kW) | 200.589 | ||
Rendimiento exergético | 0.394 |
Las sustancias que más incidencia tuvieron en los rendimientos energéticos y exergéticos del proceso fueron el combustible y el vapor saturado (Tabla 4). El rendimiento energético del generador calculado por el método directo fue de 0.901 y por el método indirecto fue de 0.882 (Tabla 4). El error entre los resultados por ambos métodos fue de 2.11 %, lo que fue despreciable.
La sustancia más significativa en el rendimiento exergético es el combustible con un 46 %; esto sucede como consecuencia de su alto contenido energético (Figura 1). El agua de alimentar al variar su temperatura de 80 ºC hasta 151 ºC para convertirse en vapor saturado a la presión de 0.49 MPa, incrementó su potencial exergético en un 18 %; es la segunda sustancia en importancia en el rendimiento exergético (Figura 1). Los efectos de las sustancias restantes son prácticamente despreciables, aunque hay que tenerlas en cuenta cuando el aire no es precalentado. Las irreversibilidades representan 26 % de las exergías debido en su mayoría, a las transformaciones que ocurren en los procesos de combustión y de transferencia de calor (Figura 1) (Kreith & Goswami, 2005).
Se conoce que el rendimiento exergético para un generador de vapor de este tipo debe ser próximo a 0.27 (Borges et al., 2016). Para las condiciones reales de operación del generador de vapor el rendimiento exergético es de 0.39. Como se observa, el rendimiento exergético calculado para el generador de vapor estudiado posee un valor por encima de lo publicado en la literatura (Borges et al., 2016). Al comparar los valores de las mediciones de esta investigación con la revisada se puede notar que para valores de 2.012 del coeficiente de exceso de aire a la salida de los gases de escape y a la presencia de gases como el monóxido de carbono, lo que indica una combustión incompleta, se obtiene un rendimiento exergético de 0.27. Por lo que se concluye que, para las variables operacionales y las condiciones de una combustión completa, el rendimiento del generador de vapor sea mayor.
Para conocer el efecto de la presión del vapor saturado en los rendimientos energéticos, exergéticos y en las irreversibilidades, se replicaron los cálculos antes expuestos para el intervalo de 0.1 MPa hasta 1.3 MPa (Figura 2). Tanto el rendimiento energético como el exergético, incrementan con el aumento de la presión del vapor saturado. Es más significativo el incremento del rendimiento exergético, con una variación positiva de 13 % (Figura 2). Las irreversibilidades disminuyen significativamente en el intervalo de 0.1 MPa hasta 0.4 MPa; a partir de ese valor su disminución es menos pronunciada en relación con el incremento de la presión del vapor saturado y experimenta una variación total negativa de 45 kW (Figura 2).
Para las condiciones ambientales y de operación del generador de vapor, el análisis exergético permitió identificar, clasificar y medir las pérdidas de energía (Tablas 1 y 4). El flujo de vapor ofertado por el generador es cuatro veces mayor que el demandado por el proceso. Esto sugiere una sustitución del generador de vapor por otro de menor producción de vapor.
Conclusiones
Este trabajo describe una serie de pasos lógicos que permiten calcular el rendimiento exergético de una instalación generadora de vapor. Normalmente, los estudios energéticos a instalaciones generadoras de vapor se les aplican uno de los dos métodos (el directo o el indirecto). En este caso se aplican ambos para comparar los resultados y demostrar la pertinencia del uso indistinto de ambos métodos. El rendimiento energético del generador de vapor por el método directo es de 0.901 y por el método indirecto es de 0.882, con una diferencia del 2.11 % lo que indica que se puede emplear cualquiera de los dos métodos. Para determinar el rendimiento exergético se emplearon ecuaciones que permiten trabajar con valores reales de temperatura ambiente, pues estas ayudan a corregir la diferencia de los parámetros del ambiente de referencia con el ambiente real. El rendimiento exergético del generador de vapor fue de 0.39 y la sustancia que más influyó en él es el combustible con un 46 %, luego las irreversibilidades del proceso con un 26 %. Estas se pueden reducir aprovechando el vapor condensado que se pierde por un error de diseño de la instalación. De manera general, pero con igual importancia, se demostró que el generador de vapor está sobredimensionado para las condiciones reales de operación y del proceso, por lo que se recomienda la sustitución por otro de menor producción de vapor.
Nomenclatura |
G flujo másico |
h entalpía específica o coeficiente de transferencia de calor por convección |
Pelect potencia eléctrica |
PCI poder calórico inferior |
q flujo de calor |
As superficie de intercambio térmico con el medio ambiente |
T temperatura absoluta |
η rendimiento energético |
V volumen |
Q calor o energía |
D demanda |
B exergía |
b exergía específica |
I irreversibilidades |
n cantidad de sustancia |
x proporción de cantidad de sustancia |
R constante universal de los gases |
s entropía específica |
φ relación de Szargut-Styrylska |
cp calor específico a presión constante |
v volumen específico |
P presión absoluta |
Símbolos químicos |
C vcarbono |
H hidrógeno |
O oxígeno |
S azufre |
W humedad |
C carbono |
Subíndices y superíndices |
aire sustancia aire |
aa sustancia agua de alimentar |
comb sustancia combustible |
vap sustancia vapor saturado |
esc gases de escape |
rech rechazado |
s superficie |
f alrededores de la superficie |
gv generador de vapor |
bruto bruto |
ge gases a la salida del generador de vapor |
af aire frío |
d disponible |
gs gases secos |
nom nominal |
real real |
ent entrada |
sal salida |
C cinética |
p potencial |
F física |
Q química |
i componentes químicos de la sustancia |
q química |
f física |
0 ambiente de referencia |
st estándar |
corrg corregida |
comb combustible |
pl pared lateral |
ff pared frontal y fondo |
combustión proceso de combustión |
Gen generada |