• Author / Uploaded
• maribelulu

• Categories
• Combustión
• Dióxido de carbono
• Temperatura
• Carbón
• Combustibles

Citation preview

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

Calcular los siguientes puntos que se detallan para combustibles de bagazo y petróleo cuyas composiciones químicas se conocen: a) Los productos de la combustión en [Nm3/Kg. de combustible] b) El aire teórico mínimo de la combustión en [Nm3/Kg. de combustible] c) Las pérdidas de calor sensible en % de los gases de la combustión cuando salen a 250 º C por la chimenea y referido a una temperatura exterior de20 º C. d) Las pérdidas por calor latente. e) Rendimiento de la caldera considerando que las pérdidas de combustible sin quemar más las pérdidas de radiación más las de convección y otras perdidas que hubiere son del 6%. f) Factor de dilución. g) Calculo y trazado del diagrama (i-t) para los valores de =1, 2 y 3 y temperaturas de500 º C, 1000 º C , 1500 º C , 2000 º C. h) Trazar las curvas de precalentamiento del aire para las temperaturas de 100 º C y 200 º C. i) Trazar las curvas de volúmenes parciales de los productos de la combustión en función de  referidos a gases húmedos y secos. Datos: PETROLEO BAGAZO Composición [Kmol] Composición [Kmol] Química Química Carbono C 0,865 Carbono C 0,235 Hidrógeno H 0,115 Hidrógeno H 0,033 Oxigeno O 0,05 Oxigeno O 0,220 Azufre S 0,004 Agua H2O 0,50 Agua H2O 0,010 Cenizas Cn 0,012 Cenizas Cn 0,001 Hub=1825[Cal/Kgcomb] Nitrógeno N 0,00 WCO2 = 14% Hub=9850 [Cal/Kgcomb] Orsat WO2 = 4,5% WCO2 =12,5% WCO = 1% Orsat WO2 = 4,5% WCO = 0%

1

-1-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

Combustión para el “Bagazo”. Considerando una combustión incompleta realizo los cálculos. a) Los productos de la combustión [Nm3/Kg de combustible]

V(CO 2  CO)  K

C 0,235 Nm3 22,4  22,4  0,4386 12 12 Kgcomb

V (CO2  CO) 0,438   2,924 W (CO2  CO) 15%

Aplicando el coeficiente K obtenemos los volúmenes de los productos de la combustión.

V (CO2 )  KWCO2

(Volumen específico de Dióxido de Carbono)

V (CO)  KWCO

(Volumen específico de Monóxido de Carbono)

V (O2 )  KWO2

V ( H 2 O) 

(Volumen específico de Oxigeno)

H 2O H 22,4  22,4 (Volumen específico de Agua) 18 2

En el caso del nitrógeno debemos calcular el volumen parcial de siguiente manera W N  100  WCO2  WCO  WO2  100  19,5  80,5% (Fracción Parcial de Nitrógeno) V ( N 2 )  KW N 2

(Volumen específico de Nitrógeno)

El volumen de los gases húmedos (Vgh) y de los gases secos (Vgs) será entonces:

Vgh  V (CO2 )  V (CO)  V (O2 )  V ( N )  V ( H 2 O) Vgs  Vgh  V ( H 2 O) Producto CO2 CO O2 N2 H2O Gases Húmedos Gases Secos

Vol [Nm3/Kg comb] 0,409 0,029 0,132 2,354 0,992 3,916 2,924

b) Aire teórico mínimo de la combustión Lmin Primero debo calcular el oxigeno mínimo para el cual se produce la combustión

Nm3 c h o  0,235 0,033 0,220  Omin  22,4     22,4    0 , 469  4 32  Kg comb  12 4 32   12 2

-2-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

Lmin 

El aire mínimo será entonces:

Omin 0,469 Nm 3   2,236 0,21 0,21 Kg comb

c) Pérdidas por calor sensible El calor sensible es el calor intercambiado por un sistema termodinámico que tiene como único efecto un cambio de temperatura. Este aumenta la energía térmica del sistema. Estas se refieren a la temperatura de salida de los gases de combustión, la cual si es superior a la temperatura del ambiente significa que existe calor por aprovechar todavía de los productos de la combustión lo cual significan pérdidas en la maquina térmica. Kcal / m3 N º C CO2

O2

N2

CO

H2O

Cpm 250 º C

0,321

0,313

0,311

0,370

0,44

tsal (temp. de salida)=250 0C text(temp. exterior)=20 0C

0ºC

Cpm 20 º C

0,395

0,313

0,311

0,316

0,357

0ºC

Se calcula de la siguiente manera:

Pch  Vgh.(Cpmezcla 0 t s  Cpmezcla 0 t e ); ts

Vgh.Cpmezcla 0  Vi Cpmi t

te

t 0

 Cpmezcla

t 0

V Cpm  i

t i 0

Vgh

_El Cpmezcla de 00 a 2500 será

Cpmezcla 0  0,409 * 0,44  0,029 * 0,311  0,132 * 0,321  2,354 * 0,313  0,992 * 0,370 t

Cpmezcla 0  t

3,916

1 Kcal 1,335  0,340 3,916 Nm 3 º C

_El Cpmezcla de 00 a 200 será

Cpmezcla  0,409 * 0,395  0,029 * 0,316  0,132 * 0,313  2,354 * 0,311  0,992 * 0,357  Cpmezcla

20º 0



3,916

1 Kcal 1,298  0,331 3,916 Nm 3 º C

Las pérdidas por calor sensible serán

Pch  Vgh(Cpmezcla 0 t s  Cpmezcla 0 t e ) ts

Pch  3,916 % Pch 

te

Nm 3  Kcal Kcal Kcal  250º 0,331 20º   306,94  0,340 3 3 Kg comb  Kg comb Nm º C Nm º C 

Pch 306,94  .100  16,82% H B 1825

3

-3-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

d) Pérdidas por calor latente

El calor latente es el calor liberado o absorbido por una sustancia química o un sistema termodinámico en un cambio de estado que ocurre sin un cambio de temperatura. Kcal Pcl  V (CO).H CO , dondeH CO  2412 Kg comb

H CO Pcl 2412 .100  V (CO). .100  0,029. .100  3,83% H B H B 1825 e) Rendimiento de la caldera En este se encuentran comprendidas las pérdidas por calor latente y sensible mas otras pérdidas adicionales las cuales se consideran del 6%. % Pcl 

C = 100 – 6% – Pcs – Pcl = 100 – 6% – 3,83% – 16,82% = 73,35 % f) Factor de dilución. Para una combustión incompleta se calcula con la siguiente fórmula WN 80,5    1,229 79 W 1 ) 79 CO 80 , 5  ( 4 , 5  W N  21 (WO2  ) 21 2 2 g) Calculo y trazado del diagrama i-t Tabla de Cpmed en [kcal/m3.°C] CO2 CO N2 H2O 0,481 0,3189 0,319 0,378 0,53 0,3339 0,334 0,409 0,5604 0,3469 0,347 0,439 0,58 0,3559 0,3536 0,465

0

Temp( C) 500 1000 1500 2000

Aire 0,321 0,337 0,35 0,36

t I (CO2 )  V (CO2 ).CpmCO2 .t  t 0   I i  Vi .Cpmi 0 .t t I (CO)  V (CO).CpmCO 0 .t  .Lmin  Aire _ real  Exceso _ de _ aire  .Lmin  Lmin  (  1) Lmin Lmin  Aire _ teórico 

I exceso _ aire  (  1) Lmin .Cpmaire 0 .t t

Temp[°C] I [Kcal]

500 λ1

λ2

1000 λ3

λ1

λ2

1500 λ3

λ1

λ2

2000 λ3

λ1

λ2

λ3

Ico2

98,5

98,5

98,5

216,9

216,9

216,9

344,2

344,2

344,2

474,9

474,9

474,9

Ico

4,7

4,7

4,7

9,8

9,8

9,8

15,2

15,2

15,2

20,8

20,8

20,8

4

-4-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

IN2

375,5

375,5

375,5

786,3

786,3

786,3

1225,4

1225,4

1225,4

1664,9

1664,9

1664,9

IH2O

187,5

187,5

187,5

405,7

405,7

405,7

653,1

653,1

653,1

922,4

922,4

922,4

IEx-aire

0,00

358,8

717,6

0,00

753,4

1506,8

0,00

1173,7

2347,3

0,00

1609,6

3219,2

TOTAL

666,1

1024,9

1383,7

1418,7

2172,1

2925,5

2237,8

3411,5

4585,2

3082,9

4692,6

6302,2

3

3,5

4

4,5

Diagrama i- t 7000 6000

Kcal/ Kg(comb)

5000 4000 3000 2000 1000 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

Temp º C I

λ1

λ2

λ3

Hμ

h) Cálculo y trazado de las curvas de precalentamiento de aire. 100 Cpm 0  0,311  Nm 3  Aire _ L  2 , 23  min 200 Kg comb Cpm 0  0,313  I aire _ prec  .Lmin .Cpmaire 0 .t t

Temp. de Precalentamiento Valores de 100 200 λ 1 69,539 139,974 2 139,079 278,158 3 208,619 419,921

i) Cálculo y trazado de las curvas de volúmenes parciales de los productos de la combustión en función de  referidos a gases húmedos y secos. 5

-5-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

Legajo: 30037/12

Volúmenes parciales de los productos de la combustión (gases secos)

Vgs  VCO2  VCO  (  1)Omin  79 .Omin 21     VO2

-Vgs para =1 Vgs  0,409  0,029  0  79 0,469 21

VN 2

Vgs  2,202 W (CO2 ) 

Volúmenes parciales de los productos de la combustión (gases húmedos)

Vgh  VCO2  VCO  (  1)Omin  79 .Omin  VH 2O 21     VO2

W (CO2  CO) 

100 

0 , 409 2 , 202

0 , 029 2 , 202

100  18,6%

100  1,3%

V ( CO 2  CO ) Vgs

100 

0 , 438 2 , 202

100  19,9%

-Vgh para =1 Vgh  0,409  0,029  0  79 0,469  0,992 21 W (CO2 )  W (CO) 

V ( CO ) Vgh

100 

100 

0 , 409 3,191

100  12,7%

100  0,9%

0 , 029 3,191

V ( CO2  CO ) Vgh

W (CO2  CO) 

V ( N2 ) Vgs

100 

100  80,2%

1, 766 2 , 202

W (N 2 ) 

V ( N2 ) Vgh

W ( H 2 O) 

-Vgs para =2 Vgs  0,409  0,029  0,469  79 .2.0,469 21

Vgs  4,436 W (CO) 

V ( CO2 ) Vgh

100 

0 , 438 3,191

100  13,6%

W (O2 )  0

W (O2 )  0

W (CO2 ) 

VN 2

Vgh  3,191

V ( CO 2 ) Vgs

( CO ) W (CO)  V Vgs 100 

W (N 2 ) 

AÑO 2018

V ( CO2 ) Vgs

V ( CO ) Vgs

100 

W (CO2  CO)  W (O2 ) 

V ( O2 ) Vgs

W (N 2 ) 

V ( N2 ) Vgs

100 

0 , 409 4 , 436

0 , 029 4 , 436

V ( CO2  CO ) Vgs

100  9,22%

W (CO2 )  W (CO) 

100 

W (CO2  CO) 

100  9,87%

V ( CO ) Vgh

V ( O2 ) Vgs

100  79,6%

W (N 2 ) 

V ( N2 ) Vgh

100 

3, 53 4 , 436

W ( H 2 O) 

-Vgs para =3 Vgs  0,409  0,029  2.0,469  79 21 .3.0,469

Vgs  6,669 ( CO ) W (CO)  V Vgs 100 

V ( CO2 ) Vgh

100  0,65% 0 , 438 4 , 436

0 , 409 6 , 669

0 , 029 6 , 669

100  6,13%

100  0,44%

2  CO ) W (CO2  CO)  V (COVgs 100 

0 , 438 6 , 669

100  6,57%

100 

0 , 409 5, 428

0 , 029 5, 428

100  31,1%

V ( H 2O ) Vgh

100 

100  7,5%

100  0,5%

V ( CO2  CO ) Vgh

3, 53 5, 428

100 

0 , 438 5, 428

100  8%

100  8,64% 100  65%

0 , 992 5, 428

100  18,28%

-Vgh para =3 Vgh  6,669  0,992 Vgh  7,661 W (CO2 )  W (CO) 

V ( CO2 ) Vgh

V ( CO ) Vgh

100 

100 

W (CO2  CO) 

100  79,37%

W (N 2 ) 

V ( N2 ) Vgh

5, 293 6 , 669

100 

100 

V ( O2 ) Vgs

( N2 ) W ( N 2 )  V Vgs 100 

100  55,3%

0 , 992 3,191

0 , 469 5, 428

W (O2 ) 

2.0 , 469 6 , 669

100 

100 

100  14,06%

( O2 ) W (O2 )  VVgs 100 

1, 766 3,191

-Vgh para =2 Vgh  4,436  0,992 Vgh  5,428

W (O2 ) 

0 , 469 4 , 436

CO2 ) W (CO2 )  V (Vgs 100 

V ( H 2O ) Vgh

100  10,57%

100 

100 

W ( H 2 O) 

6

0 , 409 7 , 661

0 , 029 7 , 661

100  0,38%

V ( CO2  CO ) Vgh

100 

2.0 , 469 7 , 661

100 

5, 293 7 , 661

V ( H 2O ) Vgh

100 

100  5,34%

100 

0 , 438 7 , 661

100  5.72%

100  12,24%

100  69,1%

0 , 992 7 , 661

100  12,94%

-6-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

W(O2)

Gases Secos

W(O2) W(CO2) W(CO) W(N2) W(H2O)

Gases humedos

W(CO2) W(CO)

%

%

W(N2)

90

80

80

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10 0 1

2

3



0 1

2

3



Combustión para el “Petróleo”. Considerando una combustión completa realizo los cálculos. a) Los productos de la combustión [Nm3/Kg de combustible]

V(CO 2 ) 

C 0,865 Nm3 22,4  22,4  1,615 12 12 Kg comb

V (CO2 ) 1,615   12,92 W (CO2 ) 12,5% Aplicando el coeficiente K obtenemos los volúmenes de los productos de la combustión.

K

V (CO2 )  KWCO2 V (O2 )  KWO2

(Volumen específico de Dióxido de Carbono) (Volumen específico de Oxigeno)

H2O 22,4 (Volumen específico de Agua) 18 WN  100  WCO2  WO2  100  17  83% (Fracción Parcial de Nitrógeno)

V (H2O) 

V ( N 2 )  KW N 2

(Volumen específico de Nitrógeno)

7

-7-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

Producto CO2 O2 N2 H2O Gases Humedos Gases Secos

Vol [Nm3/Kg comb] 1,615 0,581 10,721 0,012 12,930 12,917

b) Aire teórico mínimo de la combustión Lmin Primero debo calcular el oxigeno mínimo para el cual se produce la combustión

Nm 3  c h o   0,865 0,115 0,050  Omin  22,4     22,4     2,224 4 32  Kg comb  12 4 32   12 O 2,224 Nm 3 El aire mínimo será entonces: Lmin  min   10,589 0,21 0,21 Kg comb c) Pérdidas por calor sensible Kcal / m3 N º C CO2

O2

N2

CO

H2O

Cpm 250 º C

0,44

0,321

0,313

0,311

0,370

0,395

0,313

0,311

0,316

0,357

tsal (temp. de salida)=250 0C text(temp. exterior)=20 0C

0ºC

Cpm 20 º C 0ºC

Se calcula de la siguiente manera:

Pcs  Vgs(Cp mezcla 0 t s  Cp mezcla 0 t e ); Ademas..VghCp mezcla 0   Vi Cpmi ts

te

t

t 0

 Cp mezcla

t 0

 V Cpm  i

t i 0

Vgh

De 0 a 250 Kcal Cpmezcla  1,615 * 0,44  0,581 * 0,321  10,721 * 0,313  0,012 * 0,370  0,329 12,930 Nm 3 º C De 0 a 20 Kcal Cpmezcla  1,615 * 0,395  0,581 * 0,313  10,721 * 0,311  0,012 * 0,357   0,322 12,930 Nm 3 º C

8

-8-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

Perdidas por calor sensible ts te Pcs  Vgs(Cp mezcla 0 t s  Cp mezcla 0 t e )

Nm 3  Kcal Kcal Kcal  250º 0,322 20º   981,22  0,329 3 3 Kg comb  Kg comb Nm º C Nm º C  Pcs 981,22 % Pcs   100  9,95% H B 9850 Pcs  12,930

d) Pérdidas por calor latente

Pcl  V (CO).H CO  0 Al ser una combustión completa no se encuentra CO

e) Rendimiento de la caldera En este se encuentran comprendidas las pérdidas por calor latente y sensible más otras pérdidas adicionales las cuales se consideran del 6%.

C = 100 – 6% – Pcs – Pcl = 100 – 6% – 9,95% – 0 = 84,05% f)



Factor de dilución

1 1

79 WO2 21 WN



1 4,5 1  79 21 83

 1,256

g) Cálculo y trazado del diagrama i-t Tabla de Cpmed en [kcal/m3.°C] CO2 CO N2 H2O Aire 0,481 0,3189 0,319 0,378 0,321 0,53 0,3339 0,334 0,409 0,337 0,5604 0,3469 0,347 0,439 0,35 0,58 0,3559 0,3536 0,465 0,36

0

Temp( C) 500 1000 1500 2000

t I (CO2 )  V (CO2 ).CpmCO2 .t  t 0   I i  Vi .Cpmi 0 .t t I (CO)  V (CO).CpmCO 0 .t  .Lmin  Aire _ real  Exceso _ de _ aire  .Lmin  Lmin  (  1) Lmin Lmin  Aire _ teórico 

I exceso _ aire  (  1) Lmin .Cpmaire 0 .t t

Temp[°C] I [Kcal]

500 λ1

λ2

1000 λ3

λ1

λ2

1500 λ3

λ1

λ2

2000 λ3

λ1

λ2

λ3

Ico2

388,3

388,3

388,3

855,8

855,8

855,8

1357,3

1357,3

1357,3

1873

1873

1873

IN2

1710,1

1710,1

1710,1

3580,9

3580,9

3580,9

5580,5

5580,5

5580,5

7582,2

7582,2

7582,2

9

-9-

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

IH2O

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

2,4

2,4

2,4

5,1

5,1

5,1

8,2

8,2

8,2

11,6

11,6

11,6

IEx-aire

0,00

1699,5

3399

0,00

3568,5

7136,9

0,00

5559,2

11118,3

0,00

7624

15248

TOTAL

2100,7

3800,3

5499,8

4441,8

8010,3

11578,7

6945,9

12505,1

18064,3

9466,8

17090,8

24714,8

λ1 λ2 λ3

Valores de λ 1 2 3

Diagrama i- t 30000

Kcal/ Kg(comb)

25000 20000 15000 10000 5000 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

Temp º C I

λ1

λ2

λ3

Hμ

h) Temp. de Precalentamiento Valores de λ 100 200 1 328,7 661,7 2 657,5 1323,4 3 986,2 1985,1

10

- 10 -

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

i)

“Máquinas térmicas”

AÑO 2018 Legajo: 30037/12

Volúmenes parciales de los productos de la combustión (gases secos)

Vgs  VCO2  (  1)Omin  79 21 .Omin     VO2

Volúmenes parciales de los productos de la combustión (gases húmedos)

Vgh  VCO2  (  1)Omin  79 .Omin  VH 2O 21     VO2

VN 2

VN 2

-Vgs para =1 Vgs  1,615  0  2,224

-Vgh para =1 Vgh  9,981  0,012

Vgs  9,981

Vgh  9,993

79 21

CO2 ) W (CO2 )  V (Vgs 100 

1, 615 9 , 981

100  16,18%

1, 615 9 , 993

100  16,16%

W (O2 )  0

W (O2 )  0 ( N2 ) W ( N 2 )  V Vgs 100 

CO2 ) W (CO2 )  V (Vgh 100 

8, 36 9 , 981

100  83,82%

( N2 ) W ( N 2 )  VVgh 100 

8, 36 9 , 993

H 2O ) W ( H 2 O)  V (Vgh 100 

100  83,66%

0 , 012 9 , 993

100  0,12%

-Vgs para =2 Vgs  1,615  2,224  79 21 .2.2,224

-Vgh para =2 Vgh  20,57  0,012

Vgs  20,57

Vgh  20,582

CO2 ) W (CO2 )  V (Vgs 100  ( O2 ) W (O2 )  VVgs 100 

1, 615 20, 57

2 , 224 20, 57

100  7,85%

100  10,81%

( N2 ) W ( N 2 )  V Vgs 100  1620,,733 57 100  81,34%

CO2 ) ,W (CO2 )  V (Vgh 100  ( O2 ) W (O2 )  VVgs 100 

2 , 224 20, 582

( N2 ) W ( N 2 )  VVgh 100 

16, 733 20, 582

H 2O ) W ( H 2 O)  V (Vgh 100 

-Vgs para =3 Vgs  1,615  2.2,224  79 .3.2,224 21

1, 615 20, 582

100  7,85%

100  10,8% 100  81,2%

0 , 012 20, 582

100  0,05%

Vgs  31,162

-Vgh para =3 Vgh  31,162  0,012 Vgh  31,174

CO2 ) 1, 615 W (CO2 )  V (Vgs 100  31 100  5,18% ,162

, W (CO2 ) 

( O2 ) 4 , 448 W (O2 )  VVgs 100  31 100  14,27% ,162

( O2 ) W (O2 )  VVgs 100 

( N2 ) W ( N 2 )  V Vgs 100 

W (N 2 ) 

25, 099 31,162

100  80,54%

V ( N2 ) Vgh

W ( H 2 O) 

11

V ( CO 2 ) Vgh

100 

100 

V ( H 2O ) Vgh

1, 615 31,174

4 , 448 31,174

100  14,27%

25, 099 31,174

100 

100  5,18%

100  80,51%

0 , 012 31,174

100  0,04%

- 11 -

UNSE – FCEyT T.P.N°1 – Combustión Paz, Nelson Leandro

“Máquinas térmicas”

Legajo: 30037/12

Gases Secos

%

%

W(N2)

90

90

80

80

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10



0 2

W(O2) W(CO2) W(N2) W(H2O)

Gases humedos

W(O2) W(CO2)

1

AÑO 2018

3



0 1

12

2

3

- 12 -