Análisis 95: Generador de vapor conocida la composición volumétrica de productos de combustión en base húmeda
De un generador de vapor se obtiene la siguiente la siguiente composición de productos de combustión en base húmeda:
CO2 --> 5.50 %
CO --> 2.70 %
O2, N2, H2O e H2 el resto
Sabiendo que el combustible (composición másica) es metano (87 %) y etano (13%) y que los productos de combustión a la salida del mismo se encuentran a 600ºC, que el agua entra a 25ºC y 11.00 MPa, saliendo a 490ºC y 10.88 MPa, obtener:
Influencia del coeficiente de exceso de aire sobre la temperatura adiabática de la llamaLa relación molar aire/productos de la combustión
La relación másica aire/productos de la combustión
Coeficiente de exceso de aire
Balance energético
Balance exergético
Proponer acciones para la mejora del proceso
La figura anterior representa la temperatura de los humos de combustión en condición adiabática, en donde para λ >1 no hay presencia de inquemados. La temperatura máxima de la llama adiabática se produce alrededor de λ = 1 en una cámara de combustión idealmente aislada. La figura es un gráfico típico de la temperatura de la llama para una mezcla de aire y gas natural. A medida que aumenta el porcentaje de aire de combustión, es decir, a medida que nos desviamos de la condición estequiométrica, parte del calor generado se utiliza para calentar el exceso de aire. Como resultado, la temperatura de la llama bajará. Del mismo modo, es importante tener en cuenta que aumentar el combustible en condiciones estequiométricas reducirá la temperatura de la llama, como se indica en el lado izquierdo del pico de temperatura en la Figura.
Para el caso de combustiones completas, el diagrama siguiente es empleado para estimar el rendimiento del generador de vapor en función de la temperatura de los humos y del coeficiente de exceso de aire.
La combustión se genera con presencia de gran cantidad de inquemados, los que hacen que la temperatura adiabática de la llama se vea reducida notablemente, con respecto a la no presencia de inquemados, para el mismo valor del coeficiente de exceso de aire.
Se aprecia una similitud en los resultados, mediante ambos métodos.
El motivo principal de la baja eficiencia, tanto térmica como exergética, es la baja temperatura alcanzada por los productos de la combustión (trabajando la cámara de combustión adiabáticamente), 964ºC. El margen de temperatura para generar un calor útil es pequeño (964-600 = 364ºC), necesitándose 0.0281 kg fuel/kg agua.
La temperatura de 600ºC es la temperatura de salida al ambiente de los humos de combustión, no parece muy apropiada considerarla como la temperatura de equilibrio del proceso de combustión, esta temperatura debería ser la adiabática de la llama o próxima a ésta.
Rehacemos los cálculos para una temperatura de equilibrio de 1500ºC (se comprobará que la Tª adiabática es 1525ºC), verificando que es próxima a la adiabática de la llama, sin superarla.
Los inquemados decrecen drásticamente y ello implica un aumento de ambos rendimientos.
El consumo de combustible disminuye.
Si decrecemos la temperatura de expulsión de los gases a la atmósfera:
El consumo de combustible sigue disminuyendo.
Se puede observar que siguen aumentando las eficiencias, térmica y exergética. Como era de esperar, disminuyen drásticamente las pérdidas energéticas y exergéticas debido a los humos por chimenea expulsados al ambiente. Esto hace que el rendimiento térmico crezca considerablemente. Sin embargo, las irreversibilidades en el intercambiador de calor aumentan, al aumentar el salto térmico en el mismo (1500-200=1300ºC).
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