Cálculo Rendimiento Caldera de Gas Natural

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En esta ocasión trataremos el calculo del rendimiento de una caldera de Gas Natural por el método indirecto, que calcula el rendimiento de la caldera de gas a partir de las perdidas energéticas, perdidas por los humos, por los inquemados y por las paredes de la caldera.

Para realizar los cálculos, que mejor forma que coger una situación real de una caldera de Gas Natural de más de 15 años y con una potencia calorífica de 580 kW.

Tras analizar los humos se obtienen los siguientes resultados:

calcular rendimiento caldera Gas resultado analisis humos caldera

Los valores aportados por la última inspección de las calderas, nos permitirán determinar el rendimiento de las calderas.

A pesar que en la inspección se ofrece un valor del rendimiento de la caldera, procederemos a confirmar este valor, mediante una auditoria energética, utilizando el método indirecto para la medida del rendimiento de calderas.

Se trata del cálculo del rendimiento de la caldera a partir de la toma y evaluación de las perdidas energéticas en la caldera. El rendimiento viene dado por:

Calcular rendimiento caldera gas 1formula rendimiento calderas

Siendo todas las perdidas en %:

Calcular rendimiento caldera gas 2perdidas energeticas

La metodología de cálculo consiste por tanto en determinar las distintas perdidas energéticas y de esta forma obtener el rendimiento total de la caldera.

Perdidas por humos:
Las pérdidas del calor sensible de los humos se calculan mediante la siguiente expresión:

Calcular rendimiento caldera gas 3perdidas calor sensible humos

Siendo:
mH el gasto másico de humos en kg/s
TH,S la temperatura de los humos en la salida de la caldera, donde se realiza la inspección
TEXT la temperatura de la sala de calderas, donde la caldera toma el aire para la combustión
cP el calor especifico de los humos a la temperatura media (TH,S+TEXT) / 2
mF el gasto másico de combustible en kg/s
HI el Poder Calorífico Inferior del combustible en kJ/kg

El gasto másico de humos está relacionado con el gasto másico del aire, en él que se realiza la combustión que, a su vez, depende del exceso de aire.

Calcular rendimiento caldera gas 4gasto masico humos

Siendo RACEST la relación “aire-combustible” estequiométrica. Se trata de un valor diferente para cada tipo de combustible.

Sustituyendo esta expresión en la ecuación anterior resulta:

Calcular rendimiento caldera gas 5formula perdidas humos

El interés de esta ecuación consiste en entender que es posible determinar las perdidas por humos a partir de los datos proporcionados por el analizador de humos y de datos del combustible disponibles en bibliografía.

El calor específico de los humos cP depende del tipo de combustible, del coeficiente de exceso de aire en el que se realiza la combustión y de la temperatura de los humos. Se emplea la expresión siguiente:

Calcular rendimiento caldera gas 6calor especifico humos

Los valores de los coeficientes M y N se obtienen de tablas que dependen de cada combustible y en función del % de O2 en los humos. La tabla correspondiente a Gas Natural es:

Calcular Rendimiento Caldera Gas Tabla constantes M y N para calcular calor especifico humos

A continuación mostramos el cálculo de la determinación de las perdidas por humos de la caldera con los siguientes valores medidos con el analizador de humos.
TH,S = 216,2°C
TEXT = 16,0°C
O2 = 10,6%

Ahora para determinar el coeficiente de exceso de aire, acudimos a la tabla de las características de la combustión del Gas Natural:

Calcular rendimiento caldera gas tabla caracteristicas combustion Gas Natural

Nuestro valor de O2 es 10,6% que está situado entre los 9,87% con valor de 1,8 de n (exceso de aire) y 11,04% con valor de 2 para n.
Realizamos una interpolación lineal con dichos valores y obtenemos que nuestro valor de coeficiente de exceso de aire para 10,6% de O2 es n = 1,925

El valor de RACEST es la relación estequiométrica que viene determinada por la relación de aire kg/m3N con el valor n de aire. Así podemos ver por la tabla que 23,94/1,8 = 13,3 que es igual para 26,60/2 = 13,3. Entonces RACEST = 13,3

Para determinar los valores de M y N, para nuestro valor analizado de O2 de 10,6% debemos realizar también una interpolación con los valores ofrecidos en la tabla de O2, entre el 10,5% y 11,0%.
Una vez realizada la interpolación obtenemos los valores de M = 1,059 y N = 0,0001035.

La temperatura media de los humos TH,M = (216,2 + 16,0)/2 = 116,1°C
Con lo que nuestro calor especifico del humo será:

cP = 1,059 + 0,0001035 (273,15+116,1) = 1,1 kJ/kg°C

Solo nos queda por determinar el poder calorífico inferior HI para el gas natural. Según datos del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, en su Guía Técnica “Procedimiento de Inspección periódica de Eficiencia Energética para caldera”, facilita los datos del poder calorífico inferior para el gas natural de 10,73kWh/m3 que pasados los kWh a kJ, son 38.628kJ/m3.
Ahora los metros cúbicos debemos pasarlos a kg, por lo que debemos utilizar el valor de la densidad del gas natural para pasar de m3 a kg. Para el gas natural es ρ=0,75kg/Nm3.
Así los 38.628kJ/m3 x 0,75 kg/m3 = 28.971 kJ/kg

Ahora ya podemos determinar la reducción del rendimiento por las perdidas en los humos.

Calcular rendimiento caldera gas 7formula perdida humos valores

Las perdidas por los inquemados y paredes, suelen ser despreciables, aunque para confirmarlo, procedemos a realizarlo.
La pérdida de rendimiento por inquemados se estima a partir de la medida de CO del analizador de humos. La lectura de analizador es de 23 ppm. Esta lectura se corrige para tener en consideración el efecto de dilución del exceso de aire, resultando un CO corregido de 23 x 2,02 = 46 ppm
Las pérdidas por inquemados en % se estiman mediante la siguiente ecuación:

Calcular rendimiento caldera gas 8formula inquemados

Donde CO son los inquemados de monóxido de carbono. Y CH los hidrocarburos inquemados, que cuando no se dispone del dato de hidrocarburos inquemados, se supone que es igual a los ppm de CO. Sustituyendo los valores tenemos:

Calcular rendimiento caldera gas 9formula inquemados valores

Ahora solo nos falta determinar la perdida por las paredes. La estimación de las pérdidas de calor por las paredes se realiza a partir de la diferencia entre la temperatura de las paredes de la caldera y la temperatura de la sala de calderas. Mediante la expresión:

Calcular rendimiento caldera gas 10formula perdidas paredes

Siendo SCAL la superficie de la caldera, que son datos que aporta el fabricante de la caldera.
TP es la temperatura de la pared, TEXT es la temperatura exterior a la caldera, en la sala de calderas y hE es el coeficiente global de transferencia de calor por convección y radiación. Suele estar comprendido para calderas situadas en el interior de 10 a 12 W/m2K.
La perdida de rendimiento por las paredes, suele ofrecer unos valores muy reducidos, que rondan entre 0,5 a menos del 0,001%.
Para nuestra caldera ofrece un valor de PPAR = 0,05%

Ahora ya podemos determinar las pérdidas totales en la caldera:

Calcular rendimiento caldera gas 11resultado perdidas totales

Siendo el rendimiento de la caldera de:

Calcular rendimiento caldera gas 12resultado final rendimiento

Se trata de un valor inferior a 85,2% proporcionado automáticamente por el analizador de humos a partir de su propio cálculo de perdidas. Por lo que nos resultaría más confiable el resultado de un rendimiento aproximado del 80%.

Espero que este post no haya sido algo pesado con todos los cálculos.

Gracias por vuestra atención.

Saludos.

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