MAQUINAS TERMICAS Apuntes Calderas

MAQUINAS TERMICAS TIPOS DE CALDERAS CALDERA: suministra calor en forma de aire y combustible -

Pirotubulares: Agua por fuera, gas por dentro.

combustión

pequeñas presiones, pequeños volúmenes

QUEMADOR

-

Acuotubulares: Agua por dentro, gas por fuera. Son muy grandes

vapor

Gases

Diagrama Caldera-vapor Tª gas

Temperatura de los gases Vapor sobrecaletado

Vapor saturado Agua

RECALENTADOR

EVAPORADOR

ECONOMIZADOR

Pinch Point: Se baja un poco la Tª por debajo de la Tª saturación para que no se produzcan burbujas en el economizador. CLAPEIRON

IV

TC ≈ 374ºC PC T2 P2

II

T1 P1

III

I 100% L

100% V

A partir de esta línea el agua empieza a evaporarse I: Líquido saturado independientemente de la P y la T II: L+V III: Vapor a la Tª de saturación o mayor (vapor sobre calentado) y a la presión de saturación. IV: Por encima del punto crítico son calderas supercríticas; por debajo, subcrítica.

MOLLIER H-S PS

H

TS

PT

S

ENTROPICO T-S T

5 3

T 3

4

2 1

2 1

6

4

5

S

S

Vapor sobrecalentado W = h5 – h6

Vapor saturado W = h4 – h5

1 – 2: aumento la P  BOMBA 2 – 3: aumento T y P  ECONOMIZADOR 3: EVAPORADOR 4: Vapor saturado 5: aumento la T del vapor saturado 5 – 6: Expansión del vapor isoentrópica  Vapor sobrecalentado Se transforma la energía interna del vapor en entalpía.

ηturbina

−vapor

=

calor útil calor aportado

=

∆H 5−6 h5 −h6 = = ∆H 5−1 ( h5 −h2 ) +( h2 −h1 ) E mecánica

E entregada + E calorífica

= ( bombas

)

E entregada E turbina

CALDERA DE VAPOR 1

Bomba

2

4

ECONOMIZADOR

Vapor saturado

3 EVAPORADOR

SOBRECALENTADOR Aire QUEMADOR

Humos Calientes

Combustible

RF

RC

El agua circula por la diferencia de densidades + T + P  – consumo – rendimiento

Hay que evitar que las burbujas se formen en los tubos; las burbujas creadas son arrastradas por el fluido en movimiento.

Combustibles  líquidos, gases generalmente  sólidos: lecho fluido

S 2 > v1

Triángulo del gas u: velocidad periférica, del álabe

u

α1 β1

c: velocidad absoluta ω: velocidad relativa c1

ω1

ηturbina =

 cos β1  ⋅ u ⋅ (1 + ϕ) ⋅   cos β   ⋅ ( c1 ⋅ cos α1 + u ) 2 2  

ϕ2

φ: coeficiente de pérdida de velocidad entre la entrada y la salida de la tobera c1 = ϕ ⋅ c1 ⋅ t

η

u COMBUSTION Combustible Activos: C, H2, S Inactivos: Inerte: cenizas 3 reacciones de oxidación que desprenden calor C + O2  CO2 Combustión completa H2 + ½ O2  H2O S + O2  SO2 2C + O2  2CO Combustión incompleta 2CO + O2  2CO2

1 mol = 22,4 litros

1 atm = 760 mmHg

1 pie = 0,303 m.

1 m3 = 1000 litros

1 BTU/h.ft2 = 1055 J

1MPa = 10Kg/cm2

1’’=25,3 mm ºC =

º F − 32 1,8

C.N: 0ºC 1 atm Aire  21% O2 79% N2  78% N2 1 % Ar Agua: líquido  vapor

Endotérmico: 578 Kcal/kg = Ecambio de estado

PCS = PCI + Qcambio de estado Tª iniciación a la combustión: mínima Tª para hacer que combustione Tª adiabática: Tª máxima para hacer que combustione 1930ºC  descomposición endotérmica del 10% CO2 3% H2O ¿Cómo subir la Tª? - añadiendo O2 puro (gran parte del calor se va en calentar N2) pero es caro y produce poco volumen de gases - Precalentando el gas

EL AIRE EN CONDICIONES NORMALES

 AC ≡ g .aire / g .C    % VOL → % peso  AH 2 ≡ g .aire / g .H 2  Am = AC ⋅ [ C ] + AH 2 N2  A ≡ g .aire / g .S   S  Am : aire seco O2

Ah =Am ⋅F

F =1 + HR ⋅

O   ⋅  H 2 − 2  + AS ⋅ [ S ] 8  

PS Pr − HR ⋅ PS

F: factor relacionado con la humedad relativa H.R: humedad relativa en tanto por uno Ps: presión de saturación en mmHg Pr: presión real en mmHg

Aire en condiciones reales = Am ⋅ F ⋅ Tr: Tª real en K To: Tª en C.N. = 273 K

Tr PO ⋅ TO Pr

Pr: presión real Po: presión en C.N. =760 mmHg

Humos secos: no tengo en cuenta el H2 para hallar el PCI  E necesaria que hay que aportar al H2O para que pase de fase líquida a vapor Aire teórico  %C, H2, O2, N2

QM = PC

Aire real = 1 + % exceso Peso humos = Peso combustible + Peso aire

 C H4 + 2O2 → C O2 + 2 H 2 O  C H4  C O2 C 2 H 6 + 3 2 O2 → 2C O2 + 3H 2 O  C 2 H 6  H U M O S  C O2 del propiocom b ustibl e →     O2   H 2O  O2 → exceso N 2    N 2 → no reaccion a En humos secos no considero el H2O (vapor de agua)

PCS

(C ) P con la que estoy soplando  G>velocidad a la que sopla el aire, la partícula sólida no se moverá. Al aumentar la v empiezo a vencer la gravedad. Si aumento todavía más la v  lecho burbujeante (BFB) las burbujas de aire formadas suben a través del sólido, y éste asciende perceptiblemente. Las burbujas se juntan unas con otras y hacen que el sólido suba más y ocupe todo. En lecho burbujeante tengo velocidades de 1,2 – 2,5 m/s y alturas de 1 – 1,5 m. Permite quemar biomasa (resto inorgánico) que no tiene azufre.

Si la v >> G transporte de lecho fluido; se produce un arrastre del sólido. En lecho fluido el parámetro fundamental suele ser la granulometría del material sólido. Lecho circular (CFB)los sólidos recirculan, se limpian y filtran. El lecho circular se recicle, termina de quemar los inquemados. Tengo velocidades de 4 – 5 m/s y más altura que en lecho burbujeante. Permite la captura del 98% de azufre. Carbón desulfurante + arenas Soplas aire + v + rozamiento – carga –presión

Para iniciar todo se usa un quemador de fuel para el arranque. Una vez iniciado, el fuel ya no es necesario. DESULFURAR  Separar el sulfato SO2Ca (s) Curvas de variación de la rotación de azufre % Sulfuración 800ºC T Por encima de 800ºC el proceso se revierte; no interesa pasar esa Tª 800ºC  máxima Tª de sulfuración EMISION NOX Depende de que el N2 esté asociado al combustible o no, es decir, depende de la relación N-combustible.

Relación Ncombustible

El N es menos reactivo que el N2 del combustible. Cuanto más N2 tenga el combustible, mejor. El Nreactivo que da lugar a óxidos es el propio del combustible. Cuanto mayor es la Tª, mayor producción de N2. Si mantengo los humos a 800ºC desde el punto de vista del N da igual, pero del S no. Sin embargo la Tª buena para conseguir bajos niveles de NOX es 800ºC. El NOX se puede reducir todavía más tratándolo con amoniaco. ¿Cómo se sopla el aire? Lateralmente o a través de toberas por las que se distribuye el aire.

¿Cómo se distribuyen las toberas?

Cuadriculada o escalonadamente tobera aire

Recogida de cenizas Otro sistema de inyección de aire es en forma de campana El transporte neumático permite alcanzar velocidades de 10 y 12 m/s CICLON Gases

sólido Efecto vórtice: el sólido va perdiendo velocidad y finalmente cae, el gas asciende y se recoge.

AGUA Se precalienta el agua a una Tª menor de la Tª de saturación, la pasamos al calderín superior donde se evapora y dicho vapor lo llevamos al sobrecalentador. En una turbina de 3 escalones de presión: alta, media y baja; entre la Alta y la Media hay una etapa de precalentamiento. Para evitar la precipitación de elementos indeseables en el interior de las tuberías, se trata el agua. Impurezas del agua:

-

materia en suspensión más o menos acidez Ca, Mg Alcaloides –CO3OH Agua de mar – salinidad – contenido total de sólidos Sulfatos, cloruros…

Clasificación de impurezas: - Sólidos - Inoes: cationes y aniones Propiedades del agua: - Dureza - Alcalinidad - Salinidad - Turbiedad - Conductividad eléctrica *Pag 23. b. de los apuntes* Cuanto más grande es una caldera, más presión y más tratamiento del agua precisa. El agua de caldera hay que purgarla, es decir, quitar agua reciclada y sustituirla por agua fresca. FILTRACION DE SOLIDOS Para eliminar los sólidos se usan técnicas de filtración que dependen del tamaño del sólido a filtrar: 1. Cesta, desgaste: >200μm 2. Filtro de arena Cilindro de poliéster con fibra de vidrio de aproximadamente 3 x 12 m. La longitud es 12 m porque se puede transportar sin demasiadas restricciones. Se divide en dos mediante un plato perforado que evita que el filtro se llene de arena. El agua pasa a través del filtro, reteniendo los sólidos, hasta que la presión de entrada y de salida indique que ha aumentado la carga. Entonces debemos limpiar el filtro, generalmente a contracorriente, introduciendo 1º aire y 2º

agua.

CRITERIOS DE DISEÑO.- Vfiltración Si tengo un caudal de 1200m3/h necesitaría 100m2 de superficie. 3x12 = 36  necesitaría 4 para s

3. Filtro de cartucho: para materia sólida < 100μm 4. Ultrafiltración: Membrana de osmosis inversa, para partículas > 0,2μm

SEPARACION DE IONES Cationes: Ca+ Mg+ Aniones: Cl- Na- CO3-

Proceso de desalación Columnas de cambio iónico

DESALACION -

Procesos térmicos: calienta agua, la evapora y la condensa. Necesito energía para calentar y mover el agua. Membrana: térmicamente no hago nada, sólo muevo el agua

Procesos térmicos • •

MSF  Destilación Flush Multietapa MED  Destilación Multietapa

Ambos tienen la misma base; calentar agua  vapor •

MSF 1º calentamos el vapor Agua de mar por dentro, vapor por fuera.

El agua de mar caliente pasa a otra etapa y la paso a vacío (eyector de vacío – venturi). El agua caliente a baja presión se evapora a menos Tª; parte de ese vapor se enfría y recoge. Parte de ese vapor calienta el gua; la parte de agua condensada pasa a la siguiente fase. Por abajo recojo la salmuera. Al final recojo agua casi pura y salmuera (con más concentración en sales) El agua pasa por unas 25 etapas sin llegar a los 120ºC La cantidad de agua dulce que consigo es mínima respecto a la que necesito de salada. Mediante osmosis se consigue más agua dulce. •

MED Pulverizo agua de mar sobre la tubería que lleva vapor. Al ponerse en contacto con el tubo caliente, el agua se evapora; ese vapor se recoge junto con la salmuera, la cual volveremos a pulverizar en la siguiente etapa. La salmuera cada vez será más concentrada. Calentamos a bajas presiones. Aquí la Tª es todavía menor que antes, unos 70ºC, por lo que consume menos energía.

•

OSMOSIS INVERSA

Pretratamiento

Bomba a alta presión

Energía eléctrica

Bastidor de membranas

Salmuera concentrada

Tasa de conversión más alta: 40 – 55%

Post tratamiento

Agua tratada

El MSF es más caro porque tengo que calentar a 120ºC; la osmosis cuesta menos de la mitad porque no caliento nada. La osmosis consume 3 – 3,5 KWh/m3 Sin embargo, la calidad en osmosis es peor; en MSF y MED el agua sale más pura.

Diferencia entre osmosis directa e inversa

DIRECTA

Agua pura

Agua salada

INDIRECTA Presión osmótica

Agua pura

Etapas – alta producción – mezclo 1ª y 2ª etapa Si quiero calidad 1º un paso y luego el otro; sin mezclar etapas. Entonces necesitaría 3 bombas. Es un proceso más caro.

Agua salada