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Juan José de Pablo Reina
Manuel Celso Juárez Castelló
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Mecánica
2013-2014
Título
Director/es
Facultad
Titulación
Departamento
PROYECTO FIN DE CARRERA
Curso Académico
Auditoría energética de un horno para temple de piezasde vidrio
Autor/es
© El autor© Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2014
publicaciones.unirioja.esE-mail: [email protected]
Auditoría energética de un horno para temple de piezas de vidrio, proyecto fin decarrera
de Juan José de Pablo Reina, dirigido por Manuel Celso Juárez Castelló (publicado por laUniversidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia
Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 3.0 Unported. Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden solicitarse a los
titulares del copyright.
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
Titulación:Ingeniería Técnica Industrial en Mecánica
Título proyecto fin de carrera:
AUDITORÍA ENERGÉTICA DE UN HORNO PARA TEMPLE DE PIEZAS DE VIDRIO
Director:Manuel Celso Juarez Castelló
Autor:Juan José de Pablo Reina
Departamento:Ingeniería Mecánica
Curso:2013 / 2014
Convocatoria:Septiembre 2014
Índice de contenidoÍNDICE DE ILUSTRACIONES......................................................................................7
ÍNDICE DE TABLAS.....................................................................................................8
MEMORIA...................................................................................................................10
1.INTRODUCCIÓN......................................................................................................11
1.1.Objetivos............................................................................................................11
1.2.Antecedentes.....................................................................................................11
2.NORMATIVA............................................................................................................13
3.DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES............................................................14
3.1.Datos de la empresa.........................................................................................14
3.2.El horno.............................................................................................................14
3.2.1.Descripción................................................................................................14
3.3.Partes del horno................................................................................................16
3.3.1.Estación de carga......................................................................................16
3.3.2.Cámara......................................................................................................16
3.3.3.Zona de templado......................................................................................17
3.3.4.Estación de descarga................................................................................17
3.4.Condiciones ambiente.......................................................................................18
4.PROPIEDADES DE LOS MATERIALES................................................................19
4.1.Definición y propiedades del vidrio...................................................................19
4.1.1.Producción de vidrio..................................................................................20
4.2.Descripción y propiedades del gas natural.......................................................21
4.2.1.Precio del gas natural................................................................................22
4.3.Descripción y propiedades del aire de combustión..........................................23
4.4.Descripción y propiedades de los gases de la combustión..............................23
5.COMBUSTIÓN.........................................................................................................25
5.1.Combustión estequiométrica............................................................................25
5.2.Combustión real................................................................................................27
6.BALANCE DE MASA EN EL HORNO....................................................................28
6.1.Consumo de gas...............................................................................................28
6.2.Infiltraciones......................................................................................................28
7.BALANCE ENERGÉTICO DEL HORNO................................................................30
7.1.Cálculo de calores.............................................................................................31
7.1.1.Calor de la combustión..............................................................................31
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
7.1.2.Calor sensible del combustible..................................................................32
7.1.3.Calor sensible del aire...............................................................................33
7.1.4.Calor agua de refrigeración.......................................................................33
7.1.5.Calor aportado a la carga..........................................................................34
7.1.6.Calor de los humos de combustión...........................................................36
7.1.7.Calor por perdidas radiación y convección................................................37
7.1.7.1.Cálculo de pérdidas............................................................................38
7.1.8.Calor perdido por infiltraciones..................................................................39
7.1.9.Calores por perdidas varias.......................................................................40
7.2.Resumen y discusión de resultados.................................................................40
8.ESTUDIO DE OPCIONES DE AHORRO Y MEJORA............................................43
8.1.Estudio de la disminución del exceso de aire...................................................43
8.1.1.Análisis de la mejora..................................................................................43
8.1.1.1.Cálculo de calores..............................................................................44
8.1.1.1.1.Calor de la combustión...............................................................44
8.1.1.1.2.Calor sensible del combustible...................................................45
8.1.1.1.3.Calor sensible del aire.................................................................45
8.1.1.1.4.Calor agua de refrigeración.........................................................45
8.1.1.1.5.Calor aportado a la carga............................................................46
8.1.1.1.6.Calor de los humos de combustión.............................................46
8.1.1.1.7.Calor por perdidas radiación y convección.................................48
8.1.1.1.8.Calor por infiltraciones................................................................48
8.1.1.1.9.Calor por perdidas varias............................................................48
8.1.1.2.Resultados..........................................................................................48
8.1.1.3.Análisis económico.............................................................................50
8.1.2.Conclusiones.............................................................................................52
8.2.Estudio del precalentamiento del aire de combustión......................................52
8.2.1.Análisis de la mejora..................................................................................53
8.2.1.1.Cálculo del calor intercambiado en el precalentador.........................53
8.2.1.2.Cálculo de calores..............................................................................54
8.2.1.2.1.Calor de la combustión...............................................................55
4
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
8.2.1.2.2.Calor sensible del combustible...................................................55
8.2.1.2.3.Calor sensible del aire.................................................................55
8.2.1.2.4.Calor agua de refrigeración.........................................................55
8.2.1.2.5.Calor aportado a la carga............................................................56
8.2.1.2.6.Calor de los humos de combustión.............................................56
8.2.1.2.7.Calor por perdidas radiación y convección.................................58
8.2.1.2.8.Calor por infiltraciones................................................................58
8.2.1.1.1.Calor por perdidas varias............................................................58
8.2.1.1.Resultados..........................................................................................58
8.2.1.2.Análisis económico.............................................................................60
8.2.2.Conclusiones.............................................................................................62
8.3.Estudio del precalentamiento de aire con cambio de quemadores..................62
8.3.1.Análisis de la mejora..................................................................................63
8.3.1.1.Cálculo del calor intercambiado en el precalentador.........................63
8.3.1.2.Cálculo de calores..............................................................................64
8.3.1.2.1.Calor de la combustión...............................................................64
8.3.1.2.2.Calor sensible del combustible...................................................64
8.3.1.2.3.Calor sensible del aire.................................................................65
8.3.1.2.4.Calor agua de refrigeración.........................................................65
8.3.1.2.5.Calor aportado a la carga............................................................65
8.3.1.2.6.Calor de los humos de combustión.............................................65
8.3.1.2.7.Calor por perdidas radiación y convección.................................67
8.3.1.2.8.Calor por infiltraciones................................................................67
8.3.1.1.1.Calor por perdidas varias............................................................67
8.3.1.1.Resultados..........................................................................................67
8.3.1.2.Análisis económico.............................................................................68
8.3.2.Conclusiones.............................................................................................69
9.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES FINALES..........................................71
10.BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................73
ANEXOS......................................................................................................................74
ANEXO 1 CARACTERÍSTICAS DE LOS QUEMADORES INSTALADOS..............75
5
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
ANEXO 2 CARACTERÍSTICAS DE LOS QUEMADORES PARA AIRE
PRECALENTADO.......................................................................................................78
ANEXO 3 DATOS RELATIVOS A LA PRODUCCIÓN DE VIDRIO...........................82
ANEXO 4 DATOS CALIDAD DEL GAS....................................................................86
ANEXO 5 ANÁLISIS DE GASES..............................................................................91
ANEXO 6 CÁLCULO DE VARIACIÓN DE ENTALPÍA EN EL GAS.........................97
ANEXO 7 MEDIDA DE TEMPERATURAS DE PAREDES EN EL HORNO...........103
ANEXO 8 CÁLCULO DE PERDIDAS EN LAS PAREDES DEL HORNO..............104
ANEXO 9 RESUMEN DEL BALANCE DE MASA EN EL HORNO PARA Λ = 3,64
...................................................................................................................................106
ANEXO 10 SALIDA PROGRAMA DE CÁLCULO ESS PARA BALANCE DE
ENERGÍA CON PARA Λ = 3,64................................................................................108
ANEXO 11 RESUMEN DEL BALANCE DE MASAS PARA Λ = 1,15.....................114
ANEXO 12 SALIDA PROGRAMA DE CÁLCULO ESS PARA BALANCE DE
ENERGÍA CON PARA Λ = 1,15................................................................................116
ANEXO 13 SALIDA PROGRAMA DE CÁLCULO ESS PARA BALANCE DE
ENERGÍA CON PARA Λ = 1,15 Y PRECALENTAMIENTO DE AIRE A 150º C......122
ANEXO 14 SALIDA PROGRAMA DE CÁLCULO ESS PARA BALANCE DE
ENERGÍA CON PARA Λ = 1,15 Y PRECALENTAMIENTO DE AIRE A 345º C......128
PLANOS....................................................................................................................134
PLANO1. ESQUEMA GENERAL DEL HORNO......................................................135
PRESUPUESTO.......................................................................................................137
PLANO2. PRESUPUESTO ORIENTATIVO PARA EL AJUSTE DE LOS
QUEMADORES........................................................................................................138
PLANO3. PRESUPUESTO ORIENTATIVO PARA LA INSTALACION DE UN
INTERCAMBIADOR DE CALOR.............................................................................139
PLANO4. PRESUPUESTO ORIENTATIVO PARA LA INSTALACIÓN DE UN
INTERCAMBIADOR Y CAMBIO DE QUEMADORES.............................................140
6
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Índice de ilustraciones
Figura 4.1: Esquema instalación de producción de vidrio flotado..............................19
Figura 4.2: Evolución del término variable del gas natural. Fuente OMIE.................22
Figura 7.1: Balance energético en el horno................................................................31
Figura 7.2: Pantalla de salida cálculo entalpía. [ES_FlueGas]...................................36
Figura 7.3: Diagrama de Sankey del balance de calores del horno...........................41
Figura 8.1: Pantalla de salida cálculo entalpía caso λ = 1,15. [ES_FlueGas]............47
Figura 8.2: Diagrama de Sankey del balance de energía para λ= 1,15%..................50
Figura 8.3: Flujo de caja..............................................................................................51
Figura 8.4: Pantalla de salida cálculo entalpía. [ES_FlueGas]...................................57
Figura 8.5: Flujo de caja para el caso de precalentamiento a 150ºC.........................62
Figura 8.6: Pantalla de salida cálculo entalpía. [ES_FlueGas]...................................66
Figura 8.7: Flujo de caja para el caso de precalentamiento a 345ºC.........................69
Figura 7.1: Distribución zonas de medida temperatura............................................103
7
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Índice de tablas
Tabla 4.1: limites de proporciones en masa del vidrio sodocálcico [Fuente: EN-572-1]
.....................................................................................................................................19
Tabla 4.2: Composición tipo de vidrio. Fuente [Saint-Gobain Glass]..........................20
Tabla 4.3: Propiedades convencionales del vidrio. Fuente [EN-572-1]......................20
Tabla 4.4: Resumen datos de producción...................................................................20
Tabla 4.5: Composición del gas natural. Fuente [ENAGAS, S.A.]..............................21
Tabla 4.6: Propiedades del gas natural. Fuente [ENAGAS, S.A.]..............................22
Tabla 4.7: Composición del aire de combustión.........................................................23
Tabla 4.8: Resultado del análisis de gases de combustión........................................24
Tabla 5.1: Resumen de resultados de la combustión estequiométrica.......................27
Tabla 7.1. Factores f y c para distintos óxidos. Fuente [El vidrio]...............................35
Tabla 7.2: Resumen pérdidas de calor a través de la paredes...................................39
Tabla 7.3: Resumen del balance energético...............................................................40
Tabla 8.1: Resumen resultados combustión λ= 1,15..................................................44
Tabla 8.2: Comparación de resultados........................................................................49
Tabla 8.3: Resumen estudio económico de la mejora................................................51
Tabla 8.4: Resumen datos de partida.........................................................................53
Tabla 8.5: Comparación de resultados con aire precalentado a 150ºC......................59
Tabla 8.6: Diagrama de Sankey del balance de energía para precalentamiento a
150ºC...........................................................................................................................60
Tabla 8.7: Resumen estudio económico de la mejora................................................61
Tabla 8.8: Resumen datos de partida.........................................................................63
Tabla 8.9: Comparación de resultados con aire precalentado a 345ºC......................68
Tabla 8.10: Resumen estudio económico de la mejora..............................................69
Tabla 9.1: Comparación de resultados........................................................................71
Tabla 9.2: Datos económicos considerando las dos mejoras.....................................71
Tabla 4.1: Calidad gas natural. Datos año 2009.........................................................87
Tabla 4.2: Calidad gas natural. Datos año 2010.........................................................88
Tabla 4.3: Calidad gas natural. Datos año 2011.........................................................89
Tabla 4.4: Calidad gas natural. Datos año 2012.........................................................90
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Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Tabla 6.1: Valores de entalpía y fracción molar para el gas natural. [Fuente ESS]..102
Tabla 8.1: Pérdidas en la superficie del horno..........................................................105
Tabla 9.1: Tabla resumen de balance de masa en el horno para λ = 3,64...............107
Tabla 11.1: Tabla resumen de balance de masa en el horno para λ = 1,15.............115
9
MEMORIA
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
1. Introducción
Ante el encarecimiento de las fuentes de energía y el necesario aumento de la
productividad en un entorno de crisis en el que estamos inmersos, el aumento del
rendimiento y la optimización del consumo energético es imprescindible actualmente
para poder competir en la actual situación económica y empresarial.
Por otro lado el interés creciente en una actividad económica mas limpia y
respetuosa con el medio ambiente, encaminada a un desarrollo sostenible, impulsa
el estudio de métodos para reducir consumos y emisiones, sobre todo de gases de
efecto invernadero como el CO2.
1.1. Objetivos
El presente proyecto estudiará un horno para temple de vidrio alimentado por gas
natural, centrándose en la zona de calentamiento del vidrio, estudiando, desde el
punto de vista termodinámico, la utilización del calor generado y buscando posibles
aplicaciones y soluciones que, bien aumenten el rendimiento energético del horno o
bien aumenten la producción de vidrio. Todo ello se completará con un estudio
económico de las soluciones propuestas.
No es objeto de este proyecto el estudio y desarrollado de detalle de las
soluciones técnicas propuestas, si no un estudio preliminar que permita decidir su
validez tanto técnica como económica.
1.2. Antecedentes
Se ha solicitado la realización del presente estudio ante la realización de una
serie de mejoras en el horno objeto del estudio.
Del último análisis de gases de chimenea realizado por la empresa se deduce
que el horno no está dentro de los parámetros establecidos por le fabricante.
Ante la posibilidad de realizar ciertas mejoras en el horno se quiere estudiar la
posibilidad de optimizar el funcionamiento y el rendimiento del horno para intentar
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Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
hacerlo mas económico. Este estudio preliminar dará estas propuestas.
12
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
2.Normativa
La normativa aplicable a la empresa y que engloba su actividad contaminante es:
• REAL DECRETO 833/1975: por el que ser desarrolla la ley 38/1972 de
protección del ambiente atmosférico.
• Ley 34/2007: de calidad del aire y protección de la atmósfera.
• Orden del 18 de octubre de 1976, sobre prevención y corrección de la
contaminación industrial de la atmósfera.
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Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
3.Descripción de las instalaciones
3.1. Datos de la empresa
La empresa está situada en el polígono industrial de Bayas, en Miranda de Ebro.
La empresa se creó el año 2000 y su actividad es la manufactura y templado de
vidrio para el sector de la construcción y de la automoción. Dentro de las
instalaciones con las que cuenta para el desarrollo de su actividad está el horno
objeto del estudio.
3.2. El horno
El horno objeto del proyecto está destinado al temple de piezas de vidrio para el
sector de la construcción principalmente, aunque también es posible templar vidrios
para que reúnan las exigencias normativas de vidrios destinados al sector de la
automoción.
Aunque se designa como “horno” a todo el sistema de temple, formado por mesa
de carga, cámara de calentamiento, zona de templado y mesa de descarga, en
adelante nos referiremos con “horno” a la cámara de calentamiento donde se
produce la combustión del gas, se transfiere el calor a las piezas y salen los gases
de la combustión, que será nuestra zona de estudio.
A este tipo de hornos en el sector del vidrio se les denomina “de convección” ya
que ésta es la forma de calentamiento principal, aunque una descripción mas técnica
sería: horno intermitente de convección de combustión de gas.
3.2.1.Descripción
El horno que nos ocupa es un horno intermitente o de lotes, ya que el material no
se introduce en el horno de forma continua sino en lotes de piezas hasta completar
la carga máxima del horno, bien en área o bien en peso, calentándose hasta la
temperatura establecida y luego saliendo del horno a la zona de temple.
Está fabricado por Glasstech, fabricante norteamericano de hornos específicos
14
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para el sector del vidrio.
Los vidrios se mueven sobre rodillos cilíndricos cerámicos que están
sincronizados para el transporte del vidrio sobre ellos sin deslizamiento. Este ciclo
de introducción – calentamiento - salida de material se va repitiendo
secuencialmente con un tiempo de ciclo que depende de las características y
espesor del vidrio a templar.
El calor se genera con la combustión de gas natural con aire frío (sin precalentar)
a través de 6 quemadores situados en la parte izquierda del horno, 3 en la parte
superior y 3 en la parte inferior, cuya llama descarga sobre 6 ventiladores de
recirculación de aire, que están situados enfrente de los quemadores, en la parte
derecha del horno. Estos recogen el aire “frío” del horno y lo vuelven a recircular
junto con los gases calientes de la combustión, dirigiéndolos a presión a través de
unas soplantes hacia el vidrio.
Los ventiladores superiores descargan sobre la superficie superior del vidrio y los
ventiladores inferiores descargan sobre la superficie inferior del vidrio. El control
diferencial de la velocidad de los ventiladores es importante para controlar el
calentamiento del vidrio y no inducir curvaturas excesivas debido a la diferente
dilatación de las caras del vidrio.
Dentro del horno el vidrio se mueve oscilando hacia delante y hacia atrás. Esto
es debido a que con la temperatura el vidrio se va volviendo plástico y a la
temperatura de temple un vidrio quieto sobre los rodillos fluiría y quedaría la marca
de los rodillos en el vidrio, haciéndolo inservible. Incluso con el movimiento de
vaivén, en los puntos muertos donde se invierte la dirección del movimiento se
producen “impresiones” en ondas sobre el vidrio que afecta a su calidad óptica y a la
calidad de subsiguientes procesos como el laminado. Esta necesidad de vaivén
disminuye la longitud máxima del vidrio a introducir en el horno que ya no es la
propia longitud del horno.
La entrada y salida del horno se hace a través de sendas compuertas que se
levantan para permitir la entrada y salida del vidrio, dejando la distancia mínima para
el paso del espesor del vidrio minimizando la pérdida de calor del interior. En
cualquier caso esta pérdida se produce, no solo por radiación directa del interior del
15
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
horno, también por la salida de aire caliente ya que en el interior del horno hay
mayor presión.
El horno esta rodeado por un cerramiento placas sandwich que en principio se
dispuso para amortiguar el ruido producido en la planta pero que además aísla
térmicamente del exterior por lo que la temperatura en el interior de este recinto es
mayor que en el resto de las planta lo que afecta primero a la pérdida de calor en el
propio horno y segundo a la temperatura del aire para la combustión.
Los espesores de vidrio para los que está diseñado el horno va desde los 4 mm a
los 19 mm de espesor. Se pueden templar vidrios incoloros, extraclaros, coloreados
en masa, grabados, y en definitiva cualquier tipo de vidrio. Especial mención hay que
hacer sobre los vidrios con capas metálicas, ya que debido a sus propias
características de reflexión de longitudes de onda infrarroja los hornos con un
calentamiento principal por radiación no son económicos para el procesado de este
tipo de vidrios mientras que los hornos de convección son los mas indicados y en
algunos casos imprescindibles para procesar este tipo de vidrios, cada vez mas
demandados y utilizados.
Las dimensiones del vidrio a procesar son:
• Mínimo: 350 x 350 mm
• Máximo: 4000 x 2140 mm
3.3. Partes del horno
3.3.1.Estación de carga
Mesa de carga sobre la que se depositan las piezas a procesar. Tiene una
longitud de 4270 mm y las piezas corren sobre rodillos accionados por un motor y
cadena.
Dispone de dispositivo de bolas para deslizamiento del vidrio sobre la mesa.
3.3.2.Cámara
Zona donde se produce el calentamiento del vidrio. Su longitud es de 5500 mm
16
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
por 2140 mm. En su interior el vidrio se desliza sobre rodillos cerámicos que giran
sincronizadamente mediante un árbol de transmisión y correas.
En el lado izquierdo del horno, visto de la zona de carga, están los 6 quemadores
de gas marca Eclipse modelo Thermjet de 293 kW de potencia cada uno
(características en el anexo 1). Se disponen en linea, 3 en la mitad superior del
horno y 3 en la mitad inferior.
En el lado opuesto hay 6 ventiladores axiales de circulación refrigerados por un
circuito cerrado de agua para proteger los rodamientos y los motores del calor. El
circuito está compuesto por una bomba, un intercambiador de calor de placas y una
enfriadora. El caudal de agua de refrigeración total para los seis ventiladores es 67
l/min.
Los ventiladores descargan sobre unos distribuidores que a través de una
boquillas calienta la superficie del vidrio de manera homogénea.
La carcasa está formada por dos chapas de acero inoxidable 309S de 6,35 mm
de espesor y entre ellas una manta aislante de fibra mineral de 216 mm de espesor.
Los humos salen de la cámara por tres chimenea de de 370 mm de diámetro y 7
m de altura desde la parte superior del horno.
Hay un mecanismo de elevación de la cúpula del horno para labores de
mantenimiento.
El sistema está gobernado por un PC y software específico para controlar
temperaturas en distintas zonas, controlar y sincronizar los trasportadores y regular
la velocidad de los ventiladores de recirculación.
3.3.3.Zona de templado
En esta zona es donde ser produce el enfriamiento rápido del vidrio para
templarlo. Consiste en una serie de soplantes paralelas que pueden ser
desconectadas para limitar la zona de templado a las parte donde hay piezas.
3.3.4.Estación de descarga
Igual que la mesa de carga.
17
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
3.4. Condiciones ambiente
Las condiciones ambientales son las correspondientes a las condiciones medias
en Miranda de Ebro:
• Temperatura ambiente: Ta = 12ºC
• Presión atmosférica a 474 m sobre el nivel del mar:
• pa = p0⋅e−z / α= 101,325⋅e−474 /8000
= 95,4959 kPa
• La humedad relativa media es del 67%.
Hay que reseñar que la zona donde los ventiladores recogen el aire para la
combution está cerrada y por ello ligeramente atemperada, por lo que la temperatura
de admisión del aire de combustión es de 20º C.
18
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
4.Propiedades de los materiales
4.1. Definición y propiedades del vidrio
El vidrio es un material cristalino, pero a diferencia de los cristales propiamente
dichos, es amorfo, sin una estructura interna definida y repetitiva. El vidrio es duro,
frágil y transparente y se produce por la fusión, principalmente, de arenas de sílice
(SiO2) como material vitrificante, carbonato de sodio (Na2CO3) como fundente y
caliza (CaCO3) como estabilizante.
El vidrio existe en la naturaleza, pero para usos comerciales se produce
industrialmente. El 90% del vidrio plano que se fabrica en la actualidad es vidrio
flotado, llamado así por el proceso en el que una vez fundidos sus componentes se
vierten en continuo sobre un baño de estaño fundido sobre el que el vidrio flota, y
con el que no se mezcla, produciendo hojas de vidrio plano y con sus caras
paralelas.
Las propiedades del vidrio varían considerablemente con su composición. Para el
vidrio usualmente usado en construcción, la norma UNE-EN-572-1 marca los límites
para para la proporción en masa de sus componentes.
Denominación Fórmula Límites
Dióxido de silicio SiO2 69% a 74%
Oxido de calcio CaO 5% a 12%
Oxido sódico Na2O 12% a 16%
Oxido de magnesio MgO 0% a 6%
Oxido de aluminio Al2O3 0% a 3%
Tabla 4.1: limites de proporciones en masa del vidrio sodocálcico [Fuente: EN-572-1]
Tanto es así que varios autores han desarrollado fórmulas empíricas para
19
Figura 4.1: Esquema instalación de producción de vidrio flotado.
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
calcular sus propiedades en función de la cantidad porcentual o molar de los óxidos
que lo componen, que se ajustan extremadamente a las propiedades medidas.
Por ello vamos a fijar una composición tipo para el vidrio el vidrio sodocálcico
“float” suministrado usualmente por SAINT-GOBAIN GLASS:
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 Suma
73,2 1,51 0,1 10,62 0,03 13,22 1,12 0,2 100
Tabla 4.2: Composición tipo de vidrio. Fuente [Saint-Gobain Glass]
Para las características convencionales del vidrio la norma EN-571-1:1994 da los
siguientes valores:
Características Símbolo Valor
Densidad (a 18º C) ρ 2500 kg / m3
Dureza 6 unidades (escala de Mohs)
Módulo de Young E 7 x 104 MPa
Indice de Poison μ 0,2
Calor específico c 720 J / (kg · K)
Coeficiente medio de dilatación lineal (entre 20ºC y 300ºC)
α 9 x 10-6 K-1
Conductividad térmica λ 1 W / (m · K)
Indice de refracción medio en el espectro visible (380nm a 780nm)
n 1,5
Tabla 4.3: Propiedades convencionales del vidrio. Fuente [EN-572-1]
4.1.1.Producción de vidrio
La producción de vidrio en los últimos años se resume en la tabla siguiente:
20
Tabla 4.4: Resumen datos de producción.
Año Actividad (min) Producción (Tm) Tasa (kg/h)
2005 219.179 1.592 436
2006 273.224 2.045 449
2007 226.993 1.740 460
2008 193.200 1.588 493
2009 118.880 729 368
2010 105.772 678 385
2011 111.568 705 379
1.248.816 9.077,06 436,11
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Los datos se han obtenido del histórico de datos de producción de la empresa
(anexo 3, pag. 82).
4.2. Descripción y propiedades del gas natural
El gas natural es una sustancia de origen fósil que se encuentra en la naturaleza
en yacimientos tanto terrestres como marinos en forma de bolsas asociados o no a
otros combustibles de origen fósil.
El gas natural es una mezcla variable de gases combustibles formado
principalmente por metano (CH4). No es tóxico, es incoloro, e inodoro, aunque se le
añaden sustancias odorizantes (THT, tetrahidrotiofeno) para facilitar la detección de
posibles fugas.
Su composición depende de su origen y de los procesos a los que se le somete.
La composición del gas natural que utilizaremos en nuestro estudio suministrada por
ENAGAS, S.A. y que corresponde con el gas medio comercializado en España esta
especificado en la tabla 4.5.
En el anexo 4 (pag. 86) se da el listado de las características fundamentales del
gas suministrado por ENAGAS, S.A.
Las propiedades del gas natural se dan en la tabla 4.6 y corresponden con la
media de los datos recogidos para el gas suministrado:
21
Tabla 4.5: Composición del gas natural. Fuente [ENAGAS, S.A.]
Nombre Formula x g M (kg/kmol)
Metano 85,88% 75,95% 16,0423
Etano 12,64% 20,95% 30,0688
Propano 0,39% 0,95% 44,0953
Butano 0,09% 0,29% 58,1218
Dióxido de Carbono 0,37% 0,89% 44,0095
Nitrógeno 0,64% 0,98% 28,0134
100,00% 100,00% 18,1407
CH4
C2H
6
C3H8
C4H
10
CO2
N2
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4.2.1.Precio del gas natural
El precio del gas natural esta basado en el precio de mercado libre. Esta
compuesto por un término fijo y otro variable. El término variable se fija en una
subasta diaria en la que participan productores y suministradores.
El término variable es el que se utilizará para los cálculos económicos.
Utilizaremos el precio medio del año 2013 que es igual a 56,93 €/MWh.
El poder calorífico superior (PCS) medio es de 11,94 kWh/m3(N). Este dato es
que se utiliza en la factura para hallar el consumo en kWh a partir del consumo en
volumen.
22
Figura 4.2: Evolución del término variable del gas natural. Fuente OMIE.
Tabla 4.6: Propiedades del gas natural. Fuente [ENAGAS, S.A.]
Propiedad Valor Unidad
PCS (0ºC, 1 atm) 11,8174
PCI (0ºC, 1 atm) 10,6513
Densidad relativa 0,61
Indice de Wobbe 15,12
Tª teórica de combustión ºC 1950Límite inferior de inflamabilidad % 4,70
Límite superior de inflamabilidad % 13,70
kWh/m3(N)
kWh/m3(N)
kWh/m3(N)
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4.3. Descripción y propiedades del aire de combustión
El aire es una mezcla de distintos gases además de vapor de agua, sobre todo y
por orden de importancia nitrógeno (N2), oxígeno (O2), Argón (Ar), dióxido de
carbono (CO2), Neón (Ne), Helio (He) y otros. En la tabla 4.7 se detalla la
composición del aire con sus componentes principales.
Para efectos de cálculo los gases nobles los asimilaremos con el nitrógeno dado
que no participan en la reacción.
4.4. Descripción y propiedades de los gases de la combustión
Los gases de combustión están formados por los productos generados en la
combustión del gas natural con el aire atmosférico. También está formado por parte
del aire que se introduce en el quemador como aire en exceso y no participa en la
combustión.
La composición y propiedades del los gases de combustión se obtienen mediante
análisis de los mismos, que realiza periódicamente una empresa certificada
mediante analizador de gases de combustión apropiado.
23
Tabla 4.7: Composición del aire de combustión.
Nombre Formula x g M (kg/kmol)
Oxígeno 20,946% 23,14% 32,00
Nitrógeno 78,084% 75,52% 28,01
Dióxido de Carbono 0,039% 0,059% 44,01
Gases Nobles + Otros Ar,Ne,He,.. 0,931% 1,284% 39,95
100% 100% 28,97
O2
N2
CO2
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En el anexo 5, (pag. 91) se incluye el informe completo. El resumen del análisis
de los gases de combustión (realizados por una empresa certificada con analizador
MADUR modelo GA21+) es el que se especifica en la tabla 4.8. En el
24
Tabla 4.8: Resultado del análisis de gases de combustión.
ParámetroMEDIDA NUMERO
MEDIAFoco Nº1 Foco Nº2 Foco Nº3
6,8 7 7,1 7
789 823 878 2490
Tª Humos (ºC) 589 577 535 567
15,38 14,31 15,21 14,97
3,18 3,79 3,29 3,42
CO (ppm) 56 43 47 49 500
26 25 21 24 300
13 13 13 13 4300
< 1 < 1 < 1 < 1 2
E. AIRE 3,83 3,20 3,88 3,64Rendimiento 25,46 38,57 38,57 34,20
Valores Limite
Velocidad del Gas (m/s)
Caudal de Gas (m3N/h)
O2 (%)
CO2 (%)
NOx (ppm)
SO2 (mg/m3N)
Opacidad (Bacharach)
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5. Combustión
La combustión es la reacción química exotérmica en la que se combinan el
combustible y el comburente en los quemadores del horno, produciendo gases de
desecho y calor. El combustible utilizado en el horno es gas natural suministrado por
la red general. El gas natural está formado principalmente por metano (CH4). El
comburente es el oxígeno del aire.
5.1. Combustión estequiométrica
Calcularemos primero la cantidad de aire mínima para que se produzca la
combustión completa del gas natural con la cantidad mínima de O2, esta es la
combustión estequiométrica o teórica. En consecuencia se consume todo el O2 y no
se encuentra en los humos. La composición del aire es la dada en la tabla 4.7.
Obtendremos el volumen y composición de los gases de la combustión en relación
al volumen de combustible.
La combustión teórica la consideramos completa por lo que todos los
componentes se oxidan completamente y no se generan inquemados. Por otro lado
el nitrógeno (N2) se comporta como inerte. Estas dos suposiciones son muy
aproximadas a la realidad dado que la combustión del gas natural, y mas con exceso
de aire, es casi completa encontrándose solo trazas (del orden de 50 ppm en
nuestro caso) de monóxido de carbono (CO) en los humos, y los óxidos de nitrógeno
(NOx) no afectan al consumo total de oxígeno (O2) ni a la composición de los humos
siendo muy pequeña su concentración (20 ppm de media).
Todos los volúmenes están referidos a condiciones normales (273,15 K y
101,325 kPa)
Se plantean primero las reacciones se tienen lugar en la combustión del gas
natural, que son las de los componentes combustibles de la tabla 4.5:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O
C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O
25
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C4H10 + 13/2 O2 → 4 CO2 + 5 H2O
El O2 mínimo necesario para la combustión completa será:
O2 minimo= nO2 CH 4⋅%CH 4
100+ nO 2 C2H 6
⋅%C2H 6
100+ nO 2 C3 H 8
⋅%C3H8
100+ nO 2 C 4H 10
⋅%C 4H 10
100[1]
donde nO2i son los moles de oxigeno consumidos por cada mol de elemento
combustible, que se multiplican por el % molar o fracción molar de cada elemento en
el gas combustible, que dado que están en condiciones normales equivalen
volumen:
O2 minimo= 2⋅85,88100
+ 3,5⋅12,64100
+ 5⋅0,39100
+ 6,5⋅0,09100
= 2,19m3O2
m3gas
Con esto el volumen de aire mínimo para la combustión en condiciones normales
es:
V aireminimo =O2minimo%O2aire
=2,190,2095
= 10,43m3airem3gas
[2]
con este dato obtenemos la composición y el volumen de los humos producidos
con el aire estequiométrico:
V CO2 combustion= nCO2 CH4
⋅%CH 4
100+ nCO2 C2 H 6
⋅%C2H 6
100+ nCO2 C3H 8
⋅%C3H 8
100+ nCO2 C4H 10
⋅%C 4H 10
100[3]
V CO2 combustion= 2⋅
85,88100
+ 3,5⋅12,64100
+ 5⋅0,39100
+ 6,5⋅0,09100
= 1,13m3CO 2
m3 gas[4]
V H 2O combustion= 2⋅
%CH 4
100+ 3⋅
%C 2H 6
100+ 4⋅
%C3H 8
100+ 5⋅
%C 4H 10
100= 2,12
m3H 2O
m3gas
V CO2aire= V aireminimo⋅
%CO 2aire
100[5]
V CO2aire= 10,43⋅
0,039100
= 0,0041m3CO 2
m3 gas
V N 2aire= V aireminimo⋅(%N 2aire
100+%Gases Noblesaire
100 ) [6]
26
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V N 2aire= 10,43⋅(78,08100
+0,93100 )= 8,24
m3 N 2
m3gas
V CO2 gas=%CO2 gas100
[7]
V CO2 gas=0,37100
= 0,0037m3CO2m3 gas
V N 2 gas=%N 2 gas
100[8]
V N 2 gas=0,64100
= 0,0064m3N 2
m3 gas
En resumen para la combustión estequiométrica tenemos:
5.2. Combustión real
En la combustión real tendremos en cuenta que se realiza con exceso de aire y
que se producen una pequeña cantidad de otros componentes. El exceso de aire lo
obtenemos del análisis de los humo de la combustión (tabla 4.8) y es igual a:
λ = 3,64
Con este dato el volumen de aire para la combustión será:
Aire combustión= Airemin⋅λ = 10,43⋅3,64 = 37,98m3airem3 gas
[9]
27
Tabla 5.1: Resumen de resultados de la combustión estequiométrica.
Componente Valor Unidad Valor Unidad
2,185 112,650
10,433 537,814
11,501 592,892
9,384 0,000
1,127 58,089
2,117 109,123
0,004 2,188
8,243 478,853
0,004 0,189
0,006 0,328
O2 min m3/m3 gas m3/h
Airemin m3/m3 gas m3/h
Vhumos min m3/m3 gas m3/h
Vhumos secos min m3/m3 gas m3/h
VCO2 combustión m3/m3 gas m3/h
VH2O combustión m3/m3 gas m3/hV
CO2 aire m3/m3 gas m3/hV
N2 aire m3/m3 gas m3/hV
CO2 gas m3/m3 gas m3/hV
N2 gas m3/m3 gas m3/h
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6.Balance de masa en el horno
En el balance de masa del horno se cumplirá que el flujo másico de entrada será
igual al de salida. Por lo tanto las entradas los flujos de gas y aire serán igual al flujo
de salida de los humos de combustión según:
∑ m entrantes =∑ m salientes
m aire + m gas = m humos
En el anexo 9 (pag. 106) se resume el balance de masa para la combustión. Los
resultados son:
∑ m entrantes=∑ m salientes = 39,68mol /h = 1129,63 kg /h
6.1. Consumo de gas
Del análisis de los humos de la tabla 4.8 tenemos que el volumen total de humos
es de 2490 m3(N)/h. Dado que para obtener 39,04 mol de humos se necesita 1 mol
de gas, o lo que es lo mismo en condiciones normales, por cada m3 de gas se
generan 39,04 m3 de humo, una simple regla de tres nos da el consumo de gas
natural, que será:
V gas =249039,68
= 62,76 m3/h
Segun el manual de especificaciones técnicas del horno el consumo tendría que
estar entre 50 y 60 m3 / h, por lo que es un poco alto.
6.2. Infiltraciones
Como se puede ver hay una ligera discrepancia entre el % de oxígeno medido y
el obtenido por el balance de masa. La diferencia es 14,97% - 14,54% = 0,43%. Esta
diferencia es debida entre otras cosas a las infiltraciones de aire que se producen en
el horno a través de sellos defectuosos, compuertas que no sellan perfectamente,
etc., al estar el interior del horno ligeramente a depresión.
Aunque no tienen la suficiente entidad para afectar mucho al balance de masas
28
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si que las cuantificaremos para tenerlas en cuenta en el balance de energía.
Para hallar su valor tendremos:
V aireinf = V humos⋅dif %O2100
= 2490m3
h⋅0,43100
= 10,71m3
h
29
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7.Balance energético del horno
Con el balance energético calcularemos tanto el calor que se suministra al horno
como el que abandona el horno, obteniendo una primera aproximación a la cantidad
de energía que no se aprovecha y desperdiciamos. A la vista de estos datos se
podrán dar posibles soluciones para reutilizar la energía perdida en un principio y
mejorar el rendimiento del horno.
Para el balance energético tenemos en cuenta los siguientes calores:
• Calor aportado por la combustión: calor aportado por la combustión del gas
natural.
• Calor sensible aportado por le aire: es el calor aportado por el aire de la
combustión en función de su diferencia de temperatura con el ambiente.
• Calor sensible aportado por el gas: es el calor aportado por el gas de la
combustión en función de su diferencia de temperatura con el ambiente.
• Calor perdido en el agua de refrigeración: calor cedido al agua del circuito de
refrigeración de los motores de recirculación de aire.
• Calor aportado a la carga: calor cedido a la carga de vidrio para aumentar su
temperatura.
• Calor por pérdidas a través de los límites del horno: calor perdido por las
pérdidas por radiación, convección y transmisión a lo largo de lo límites del
horno.
• Calor perdido en los humos: calor cedido a los humos de la combustión y que
se evacua por la chimenea.
• Calor perdido en aire infiltrado: el aire que entra en el horno por infiltraciones
hay que calentarlo y ese calor se pierde por los humos.
• Otros calores: está formado por calores difícilmente medibles, errores por
simplificaciones y otros.
Una vez calculados los diferentes calores suministrados y cedidos se hará el
balance.
30
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∑ Qentrantes −∑ Qsalientes = 0(Q combustión + Q sensible aire + Qsensible gas )−
−(Qagua refrigeración + Q carga + Q perdidas + Qhumos + Qaire inf + Qotros calores)= 0
En la Fig. 7.1 se especifican gráficamente el balance energético a través de los
limites del sistema abierto “horno”.
7.1. Cálculo de calores
Se especifican a continuación el cálculo de los diferentes calores. Para la
obtención de datos entalpías, densidades, etc, y para la resolución de las
ecuaciones el software Engineering Equation Solver (en adelante EES). La salida de
los datos del programa se especifica en el anexo 10 (pag. 108).
7.1.1.Calor de la combustión
El calor generado en la combustión del gas natural es función del poder calorífico
inferior (PCI) del combustible. En nuestro caso para el gas natural suministrado por
ENAGAS el PCI medio es de 10,65 kWh/m3(N) en condiciones normales (N) de 0ºC
y 101,325 kPa.
31
Figura 7.1: Balance energético en el horno
Gas
Aire
Qsensible combustible
Qsensible aire
Qcombustion
Qhumos
Qperdidas
Qinfiltraciones
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El flujo de gas es de 62,76 m3/h
Para obtener el calor suministrado por el combustible en la combustión
sustituiremos en la expresión [10]:
Q combustión= V gas⋅PCI [10]
Q combustión = 62,76m3(N )
h⋅10,65
kWhm3(N )
⋅3,6MJkWh
= 2406,35MJh
7.1.2.Calor sensible del combustible
El calor sensible es el aportado por el combustible dada su diferencia de
temperatura con el ambiente, y viene dado por la expresión [11]:
Q gas = m gas⋅Δhgas = V gas⋅ρgas⋅Δ hgas [11]
La temperatura media de suministro del gas es de 10 ºC, aunque su volumen en
condiciones normales se refiere a 0ºC.
La masa molar de nuestro gas natural es Mgas = 18,1407 kg/kmol. Teniendo en
cuenta que lo consideramos como un gas ideal, su densidad será:
ρgas =m gas
V gas
=p⋅M gas
R⋅T=
1⋅18,14070,082⋅273,15
= 0,81kg
m3(N )
Para obtener las entalpías consideramos el gas natural como mezcla de gases
ideales:
m gas⋅Δh gas =∑ mi⋅Δ h i ⇒ Δh gas =∑mi⋅Δh im gas
=∑ g i⋅Δ h i=
= gCH 4⋅Δh CH 4
+gC 2H 6⋅Δh C3H 8
+ gC3H 8⋅Δ h C3H 8
+gC 4H 10⋅Δh C4 H 10
+g N 2⋅Δ h N 2
+ gCO2⋅Δ h CO2
[12]
Sustituyendo los valores se entalpía y fracción de masa en la expresión [12]
obtenemos la variación de la entalpía en el gas (resuelto en el anexo 6, pag. 97).
El resultado de la variación de la entalpía es:
Δ h gas =−4,132kJkg
Sustituyendo en [11] tendremos:
32
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Q gas = 62,76m3(N )
h⋅0,81
kgm3(N )
⋅(−4,132)kJkg
=−209,87kJh
El valor negativo del calor sensible significa que es calor que hay que aportar al
gas, ya que su temperatura media de suministro es menor que la temperatura
ambiente.
7.1.3.Calor sensible del aire
El calor sensible aportado por el aire es función de su diferencia de temperatura
con el ambiente, y viene dado por la expresión:
Q aire = m aire⋅(haire−ha) = V aire⋅ρaire⋅V gas⋅(haire−ha) [13]
En la zona de admisión de aire de los quemadores la temperatura es ligeramente
superior a la ambiente ya que las perdidas del propio horno atemperan la zona
cerrada. La temperatura de admisión del aire es T aire = 20ºC.
• Masa molar del aire: Maire = 28,97 kg/kmol.
Con este dado la densidad será:
ρaire =m aire
V aire
=p⋅M aire
R⋅T=
1⋅28,960,082⋅273,15
= 1,29kg
m3(N )
• El volumen de aire de combustión para λ=3,64 será: Vaire = 37,98 m3 aire / m3
gas
• Entalpía del aire a 20ºC: haire = 293,55 kJ/kg
• Entalpía del aire a temperatura ambiente (12ºC): ha = 285,51 kJ/kg
Para los cálculos asimilamos el aire a un gas ideal ya que a las temperaturas y
presiones a las que nos movemos no hay casi diferencias. Sustituyendo en al
expresión [13]:
Q aire= 37,98m3(N )airem3(N )gas
⋅1,29kg
m3(N )aire⋅62,76
m3(N ) gash
⋅(293,55−285,51)kJkg
=
= 24742,25kJh
7.1.4.Calor agua de refrigeración
33
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El agua de refrigeración retira parte del calor generado en la combustión. El calor
absorbido por el agua de refrigeración esta dado por la expresión [14]:
Q agua refrigeración = m agua⋅(hsal−hent)= V agua⋅ρ ⋅(hsal−hent) [14]
• El caudal de agua de refrigeración total para los seis ventiladores es 67 l/min.
• La temperatura media de entrada es: Tent = 17,9ºC
• La temperatura media de salida es: Tsal = 21,8ºC.
• La presión a la salida del ventilador es de 22 mH2O
• La presión a la entrada del ventilador es de 21,8 mH2O
• Con los datos anteriores considerando el agua como fluido real, las entalpías
a la entrada y a la salida son (obtenidas con EES): hsal = 94,24 kJ/kg y hent =
75,42 kJ/kg
• La densidad media del agua a estas temperaturas y presiones es ρ = 998,2
kg/m3.
Sustituyendo en la expresión [14] tendremos:
Q agua refrigeración = 4,02m3
h⋅998,2
kgm3
⋅(94,24−75,42)kJkg
= 75536,88kJh
7.1.5.Calor aportado a la carga
Este comprende el calor que es transmitido a la carga de vidrio para elevar su
temperatura desde la de entrada, en este caso temperatura ambiente, hasta la
especificada en proceso, que es de 680º C.
Utilizando la expresión [15] obtenemos el calor que hay que aportar a la carga de
vidrio.
dQ vidrio= mvidrio⋅dh =mvidrio⋅c p(T )⋅dT → Δ Q vidrio= m vidrio⋅Δ h = m vidrio⋅∫T ent
T sal
c p⋅dT [15]
Para ello primero necesitamos la masa de vidrio a calentar. De los datos
históricos de producción resumidos en la tabla 4.4 se obtiene que la media de
producción de los últimos años es de 436,11 kg/h.
34
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El calor específico del vidrio varía sustancialmente con la temperatura y la
composición del vidrio. Por ello usaremos la expresión empírica [16] obtenida por
Moore y Sharp [El vidrio, J. Mª FERNANDEZ NAVARRO, CSIC, (1985), pag. 367] en
la que se tiene en cuenta la composición del vidrio y su temperatura, donde p i es la
fracción de masa de cada óxido que compone el vidrio, f i es un factor de temperatura
y ci es el calor específico a 0ºC. El calor específico está expresado en cal/gr·ºC.
c p(T ) =0,00146⋅T 2⋅∑ p i⋅f i + 2⋅T⋅∑ p i⋅ f i + ∑ p i⋅c i
(1+ 0,00146⋅T )2
[16]
En la tabla 7.1 se especifican los factores empíricos de temperatura y calor
especifico a 0ºC para los óxidos que componen habitualmente el vidrio. En la tabla
se han añadido los valores porcentuales en peso de la composición de nuestro vidrio
tipo según la tabla 4.2.
Sustituyendo estos valores en la expresión [16] tenemos:
c p(T ) =0,00146⋅5,1⋅10−4
⋅T 2 + 2⋅5,1⋅10−4⋅T + 0,1741
(1+0,00146⋅T )2 ( calgr⋅ºC )
Con este valor que sustituimos en la expresión [15] y resolviendo la integral entre
los valores de temperatura ambiente y la de templado del vidrio, Ta=12ºC y Tt=680ºC,
tememos (la integral se resuelve por métodos numéricos con software EES):
35
Tabla 7.1. Factores f y c para distintos óxidos. Fuente [El vidrio]
Oxido p p · f p · c
73,20% 4,68 1657 0,00034 0,1213
1,51% 4,53 1765 0,00001 0,0027
13,22% 8,29 2229 0,00011 0,0295
1,12% 4,45 1756 0,00000 0,0020
MgO 0,03% 5,14 2142 0,00000 0,0001CaO 10,62% 4,1 1709 0,00004 0,0181
0,10% 3,8 1449 0,00000 0,0001
0,20% 8,3 189 0,00000 0,0004
100,00% ∑ = 0,00051 0,1741
f ·104 c ·104
SiO2
Al2O
3
Na2O
K2O
Fe2O3
SO3
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Q carga = 4,1868Jcal
⋅436,11kgh
⋅∫12
6800,74⋅10−6T 2 + 10,2⋅10−4T + 0,1741
(1+0,00146⋅T )2 ( cal
gr⋅ºC)⋅dT =
= 320568,86kJh
7.1.6.Calor de los humos de combustión
El calor contenido en los humos de combustión vendrá dado por la expresión
siguiente:
Q humos= m humos⋅Δ hhumos = V humos⋅ρhumos⋅V gas⋅Δhhumos [17]
Para obtener la entalpía de los humos de combustión utilizaremos el programa
ES_FlueGas (www.engsoft.co.kr), freeware específico para análisis de humos de
combustión. Entrando con los porcentajes en volumen de la composición de los
humos y definiendo la temperatura de referencia para el cálculo de la entalpía en la
ambiente ta = 12ºC, y la temperatura de los gases thumos = 567º C, tendremos:
36
Figura 7.2: Pantalla de salida cálculo entalpía. [ES_FlueGas].
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El resultado de la variación de entalpía entre la temperatura de los humos y la
ambiente es de:
Δ hhumos = 600,96kJkg
Para comprobar el resultado dado por el software anterior, suponemos que los
humos de combustión están formados por nitrógeno en estado de gas ideal. Esa
suposición se puede hacer dado que los humos están formados por mas de un 75%
por este gas y las presiones a las que está son bajas. Las entalpías son las
siguientes (obtenido con EES):
• Entalpía del nitrógeno a temperatura ambiente, Ta = 12º C: -13,49 kJ/kg
• Entalpía del nitrógeno a temperatura gases de salida, Th = 567º C: 582,85
kJ/kg
El valor de la variación de la entalpía será:
Δ hhumos = 582,85−(−13,49) = 596,34kJkg
Esto supone una variación menor al 1% por lo que asumimos el valor del
software como bueno.
La masa molar de los humos de la combustión la obtenemos también del
software y es: Mhumos = 28,64 kg/kmol.
Con este dado la densidad en condiciones normales será:
ρhumos=m humos
V humos
=p⋅M humos
R⋅T=
1⋅28,640,082⋅273,15
= 1,28kgm3(N )
El volumen de humos es: Vhumos = 39,68 m3 humos / m3 gas. Con estos datos
sustituyendo en la expresión [17] tendremos:
Q humos=39,68m3(N )humosm3(N ) gas
⋅1,28kg
m3(N )humos⋅62,76
m3(N ) gash
⋅600,96kJkg
= 1911,96MJh
7.1.7.Calor por perdidas radiación y convección
Las perdidas por radiación y convección en las paredes exteriores del horno
hacia el entorno las calcularemos a partir de su temperatura superficial según la
37
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expresión [18]:
Q perdidas = Q radiación + Q convección [18]
7.1.7.1. Cálculo de pérdidas
Para la pérdida de calor por radiación se usará la ley de Stefan - Boltzmann
generalizada para un cuerpo gris que irradia a una temperatura Ts hacia el ambiente
a temperatura Ta:
Qradiación = σ⋅ϵ⋅A⋅(T s−T a) [19]
donde:
• σ es la constante de Stefan – Boltzmann de valor 5,67·10-8 W/m2·K4
• ε es la emisividad de la superficie que en nuestro caso para la chapa de acero
se selecciona la utilizada en el termómetro infrarrojo usado para obtener los
valores de temperatura de superficie que tienen un valor de 0,91.
• A es la superficie en m2.
• Ts y Ta es la temperatura de la superficie y del ambiente respectivamente.
Para la pérdida de calor por convección usaremos la expresión de la ley de
enfriamiento de Newton:
Qconvección = hc⋅A⋅(T s−T a) [20]
donde:
• A es la superficie en m2.
• Ts y Ta es la temperatura de la superficie y del ambiente respectivamente.
• hc es el coeficiente de convección expresado en W/m2·K
Para el coeficiente de convección usaremos la forma simplificada para
convección natural del aire en régimen laminar, que en función de la superficie es:
• Paredes verticales: hc = 1,42⋅(ΔTL )14
• Plano horizontal calor hacia arriba (bóveda): hc = 1,32⋅(ΔTL )14
38
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• Plano horizontal calor hacia abajo (solera): hc = 0,59⋅(ΔTL )14
Con los datos de temperaturas de la pared y las expresiones anteriores hallamos
las las pérdidas en todas las superficies del horno. Esto se detalla en el anexo 8,
pag. 104. Se resumen en la tabla siguiente:
Por lo tanto el calor total perdido por radiación y convección es:
Q perdidas =Qentrada + Q salida + Qventiladores + Q quemadores + Qbobeda + Q solera = 105640,75kJh
7.1.8.Calor perdido por infiltraciones
Las infiltraciones de aire aumentan el volumen de los humos y producen una
pérdida de calor ya que hay que se calientan hasta la temperatura del interior del
horno y luego son eliminados en los humos perdiendo este calor. La expresión para
calcularlo será:
Q infiltraciones = m infiltraciones⋅(h infiltraciones−ha)= V infiltraciones⋅ρinfiltraciones⋅(hinfiltraciones−ha) [21]
En la zona de admisión de aire de los quemadores la temperatura es ligeramente
superior a la ambiente ya que las perdidas del propio horno atemperan la zona
cerrada. La temperatura de admisión del aire es T aire = 20ºC.
• Masa molar del aire: Maire = 28,97 kg/kmol.
Con este dado la densidad será:
ρinfiltraciones=m infiltraciones
V infiltraciones
=p⋅M aire
R⋅T=
1⋅28,960,082⋅273,15
= 1,29kgm3(N )
• El caudal de aire que entra en el horno por infiltraciones es de: Vinfiltraciones =
10,71 m3/h.
Las entalpías del aire son (obtenidas con EES):
• Entalpía del aire a 20ºC: haire = 293,55 kJ/kg
39
Tabla 7.2: Resumen pérdidas de calor a través de la paredes.
ENTRADA SALIDA BÓVEDA SOLERA Total (kJ/h)
9342,78 11997,70 18193,14 18565,98 30615,43 16925,72 105640,75
LADO VENTILADORES
LADO QUEMADORES
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• Entalpía del aire en el horno a 740ºC (temperatura aproximada de la
superficie interior del horno): haire horno = 1061,33 kJ/kg
Sustituyendo en la ecuación [21]:
Q infiltraciones = 10,71m3(N )
h⋅1,29
kgm3(N )
⋅(1061,33−293,55)kJkg
= 10623,65kJh
7.1.9.Calores por perdidas varias
Dentro de este campo están las pérdidas de calor no medibles, los errores por
simplificaciones, etc.
7.2. Resumen y discusión de resultados
Se resumen los resultados del balance energético en la tabla 7.3, refiriendo cada
uno de los calores al calor de combustión tomado como 100%.
Para tener un índice del funcionamiento del horno utilizaremos el rendimiento del
horno que se define como el calor que se cede a la carga de vidrio para realizar el
proceso entre el calor aportado por el combustible [Industrial and Process Furnaces,
pag. 336], en tanto por ciento:
ηhorno=Q carga
Q combustión
[22]
En nuestro caso el rendimiento será:
40
Tabla 7.3: Resumen del balance energético
Q (kJ/h) % de Q Combustión
Calor de la combustión 2406352,52 100,00%
Calor sensible del gas -209,87 -0,01%
Calor sensible del aire 24742,25 1,03%
Calor cedido a la carga -320568,86 -13,32%
Calor en los humos -1911957,12 -79,45%
Calor agua refrigeración -75536,88 -3,14%
Calor perdidas rad + convección -105640,75 -4,39%Calor infiltraciones -10623,65 -0,44%
Otros calores -6557,64 -0,27%
Qcombustion
Qgas
Qaire
Qcarga
Qhumos
Qagua
Qperdidas
Qinf iltraciones
Qv arios
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ηhorno=Q carga
Q combustión
=320568,862406352,52
× 100= 13,32%
Vemos que se pierde por los humos el 80% del calor aportado por el gas, y que
la carga solo capta el 13%. En perdidas diversas tenemos un 8% aproximadamente.
Esto se ve gráficamente con el siguiente diagrama de Sankey:
A la luz de estos resultados parece claro que aprovechar el calor perdido en los
humos es un camino para mejorar el rendimiento, disminuyendo el consumo y
mejorando la productividad del horno.
La forma de aprovechar el calor que tiramos es bajar la temperatura de los
41
Figura 7.3: Diagrama de Sankey del balance de calores del horno.
100%
101,03%
101,02%
1,03%Calor sensible del aire
100%Calor de la combustion
0,01%Calor sensible del gas
79,45%Calor en humos
4,39%Calor perdidas
3,14%Calor refrigeración
0,44%Calor infiltraciones
13,32%Calor aportado a la carga
0,27%Otros calores
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humos calentando la materia que entra en el horno. Por lo tanto precalentar el aire
antes de entrar en el horno es un buen método para mejorar su rendimiento.
En cuanto al calor perdido en el agua de refrigeración no se tendrá en cuenta
ninguna mejora, ya que la pérdida es pequeña y la poca diferencia entre las
temperaturas de entrada y salida (~4ºC) hace difícil y costoso usar este calor de
alguna forma.
En cuanto al calor aportado, se puede mejorar el rendimiento disminuyendo la
cantidad de aire introducida con el gas para la combustión. El análisis de gases de la
combustión (tabla 4.8) indica un exceso de aire λ = 3,64 (264%). Este dato es
desmesuradamente alto para quemar gas natural, ya que el fabricante del quemador
aconseja un λ = 1,15 (15%), y no se necesita introducir mas aire para controlar la
atmósfera en el horno de alguna forma.
Reducir el exceso de aire mejora el rendimiento ya que, aumenta la temperatura
de la llama en la combustión, hay que usar menos calor para calentar la menor
cantidad de aire que entra, y se disminuye el volumen de humos con lo que se
disminuye también la pérdida de calor en ellos.
42
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8.Estudio de opciones de ahorro y mejora.
Se estudiarán las distintas opciones de mejora calculando o estimando en cada
caso la mejora, tanto en ahorro de combustible, como en mejora de la productividad
y rendimiento.
Las opciones a estudiar serán:
• Disminuir el exceso de aire.
• Precalentar el aire de combustión sin cambiar quemadores.
• Precalentar el aire de combustión cambiando los quemadores.
8.1. Estudio de la disminución del exceso de aire
Según se ve en el análisis de gases (tabla 4.8) en la actualidad se trabaja con un
exceso de aire λ = 3,64 (264%), que resulta desproporcionado y no esta justificado
por alguna necesidad productiva o tecnológica del horno. El fabricante de los
quemadores aconseja un exceso de aire λ = 1,15 (15%) para quemadores que
queman gas natural. Al disminuir el exceso de aire en la combustión tendremos los
siguientes beneficios:
• Menor volumen de aire de combustión.
• Menor volumen de humos.
• Menor consumo de gas.
• Mayor rendimiento.
Para el cálculo mantenemos constante la relación entre la cantidad de aire y la
de combustible.
8.1.1.Análisis de la mejora
En primer lugar haremos un análisis teórico de como quedaría la combustión
teniendo en cuenta el nuevo coeficiente de exceso de aire λ = 1,15. Para ello
seguiremos la misma metodología del apartado 5 (pag. 25). Para los valores de CO
y SO2 que se obtuvieron del análisis de los humos, supondremos que
43
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porcentualmente se mantienen, aunque realmente disminuirán ligeramente. En el
anexo 11 (pag. 114) se da el listado del balance de masa para este caso.
El aire para la combustión será el aire mínimo estequiométrico [2] por el nuevo
coeficiente de exceso de aire:
V aire = V aireminimo⋅λ = 10,43m3airem3 gas
⋅1,15= 12m3airem3gas
[23]
Con este volumen de aire de combustión tendremos:
8.1.1.1. Cálculo de calores
Con estos datos recalculamos el balance energético del horno. Dado que una de
las consecuencias del descenso del aire en exceso que entra en el quemador es la
disminución del consumo de gas, este será el dato a obtener, Vgas. Plantearemos las
ecuaciones correspondientes a cada perdida o ganancia de calor en el horno y se
resolverá haciendo ∑ Q entrantes=∑ Q salientes .
El balance queda como sigue:
8.1.1.1.1. Calor de la combustión
Los datos no varían respecto al anterior cálculo por lo tanto tendremos:
• PCI medio es de 10,65 kWh/m3(N) en condiciones normales (N) de 0ºC y
101,325 kPa.
Sustituyendo en [10] tendremos
44
Tabla 8.1: Resumen resultados combustión λ= 1,15.
Componente Valor Unidad % molar
12,00
13,27
0,33 2,47%
2,32 17,47%
1,14 8,56%
9,49 71,51%
0,0007 0,0049%
0,0005 0,0039%100%
Airecombustión m3/m3 gas
Vhumos m3/m3 gas
VO2 humos m3/m3 gas
VH2O humos m3/m3 gas
VCO2 humos m3/m3 gas
VN2 humos m3/m3 gas
VCO humos m3/m3 gas
VSO2 humos m3/m3 gas
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Q combustión = V gasm3(N )
h⋅10,65
kWhm3(N )
⋅3,6MJkWh
= V gas⋅38344,65kJh
8.1.1.1.2. Calor sensible del combustible
En este caso las temperaturas de suministro y ambiento no varían por lo que las
entalpías tampoco lo hacen y la densidad sigue siendo la misma:
• Δ h gas =−4,132kJkg
• ρgas =m gas
V gas
=p⋅M gas
R⋅T=
1⋅18,14070,082⋅273,15
= 0,81kg
m3(N )
Por lo tanto sustituyendo en [11] tendremos:
Q gas = V gasm3(N )
h⋅0,81
kgm3(N )
⋅(−4,132)kJkg
= V gas⋅(−3,34)kJh
8.1.1.1.3. Calor sensible del aire
En este caso los datos no varían salvo el volumen de aire:
• Masa molar del aire: Maire = 28,97 kg/kmol.
• ρaire = 1,29 kg/m3
• El volumen de aire de combustión se ha calculado en la sección 5.1.1 (tabla
8.1): Vaire = 12 m3 aire / m3 gas
• Entalpía del aire a 20ºC: haire = 293,55 kJ/kg
• Entalpía del aire a temperatura ambiente (12ºC): ha = 285,51 kJ/kg
Sustituyendo en al expresión [13]:
Q aire= 12m3(N )airem3(N )gas
⋅1,29kg
m3(N )aire⋅ V gas
m3(N )gash
⋅(293,55−285,51)kJkg
=
=V gas⋅ 124,58kJh
8.1.1.1.4. Calor agua de refrigeración
El calor retirado por el agua de refrigeración no depende del consumo de gas,
por lo tanto no varía y es igual a:
45
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Q agua refrigeración = 75536,88kJh
8.1.1.1.5. Calor aportado a la carga
El calor aportado a la carga solo depende de la cantidad de vidrio a calentar y de
su composición por lo que no varía y es igual a:
Q carga = 320568,86kJh
8.1.1.1.6. Calor de los humos de combustión
El calor contenido en los humos de combustión vendrá dado por la expresión
siguiente:
Q humos= m humos⋅Δ hhumos = V humos⋅ρhumos⋅V gas⋅Δhhumos [24]
Para obtener la entalpía de los humos de combustión utilizaremos el programa
ES_FlueGas. Entrando con los porcentajes en volumen de la composición de los
humos y definiendo la temperatura de referencia para el cálculo de la entalpía en la
ambiente ta = 12ºC, y la temperatura de los gases thumos = 567º C, tendremos:
46
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El resultado de la variación de entalpía entre la temperatura de los humos y la
ambiente es de:
Δ hhumos = 646,32kJkg
La masa molar de los humos de la combustión la obtenemos también del
software y es: Mhumos = 27,84 kg/kmol.
Con este dado la densidad en condiciones normales será:
ρhumos=m humos
V humos
=p⋅M humos
R⋅T=
1⋅27,840,082⋅273,15
= 1,28kgm3(N )
El volumen de humos es: Vhumos = 13,27 m3 humos / m3 gas. Con estos datos
sustituyendo en la expresión [24] tendremos:
47
Figura 8.1: Pantalla de salida cálculo entalpía caso λ = 1,15. [ES_FlueGas].
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Q humos=13,27m3(N )humosm3(N ) gas
⋅1,28kgm3(N )
⋅V gasm3(N ) gas
h⋅646,32
kJkg
= V gas⋅10651,63kJh
8.1.1.1.7. Calor por perdidas radiación y convección
La disminución del exceso de aire supone un aumento del la temperatura de la
llama en el quemador. Esta hará variar ligeramente las pérdidas por radiación y
convección al variar las temperaturas en la superficie.
En cualquier caso esta variación será mínima y no la consideraremos por lo que
supondremos que no varía, por lo que es igual a:
Q perdidas = 105640,75kJh
8.1.1.1.8. Calor por infiltraciones
Consideramos que se mantienen con respecto al caso inicial dado que las
condiciones de convección dentro del horno y tiro de la chimenea se mantienen
aproxiadamente iguales. Por lo tanto:
Q infiltraciones = 10623,65kJh
8.1.1.1.9. Calor por perdidas varias
Como en el caso anterior consideramos que se mantienen constantes.
Tendremos:
Qvarias = 6557,64kJh
8.1.1.2. Resultados
Con las ecuaciones anteriores resolveremos la incógnita del nuevo consumo de
gas mediante la siguiente ecuación:
∑ Qentrantes −∑ Qsalientes = 0(Q combustión + Q sensible aire + Qsensible gas )−
−(Qagua refrigeración + Q carga + Q perdidas + Qhumos + Qaire inf + Qotros calores)= 0
Después de resolver esta ecuación con el ESS (anexo 12, pag. 116) la incógnita
48
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que obtenemos es el nuevo consumo de gas. En la tabla 8.2 se indican los
resultados para el anterior y el actual exceso de aire.
El diagrama de Sankey quedaría como sigue:
49
Tabla 8.2: Comparación de resultados.
Exceso de aire 264% Exceso de aire 15%Valor unidad Valor unidad Diferencia
Consumo de gas 62,76 18,66 -70,27%
Volumen aire combustión 2383,16 223,82 -90,61%
Volumen humos 2490,00 247,49 -90,06%
71,88 21,18 -70,54%
Rendimiento 13,32% 44,81% 31,49%
Calor de la combustión 2406352,52 kJ/h 715320,54 kJ/h -70,27%
Calor sensible del gas -209,87 kJ/h -62,39 kJ/h -70,27%
Calor sensible del aire 24742,25 kJ/h 2324,14 kJ/h -90,61%
Calor cedido a la carga -320568,86 kJ/h -320568,86 kJ/h 0%
Calor en los humos -1911957,12 kJ/h -198654,52 kJ/h -89,61%
Calor agua refrigeración -75536,88 kJ/h -75536,88 kJ/h 0%
Calor perdidas rad + convección -105640,75 kJ/h -105640,75 kJ/h 0%
Calor infiltraciones -10623,65 kJ/h -10623,65 kJ/h 0%
Vgas m3(N)/h m3(N)/h
Vaire m3(N)/h m3(N)/h
Vhumos m3(N)/h m3(N)/h
Volumen CO2 en humos V
CO2 humos m3(N)/h m3(N)/hη
horno
Qcombustion
Qgas
Qaire
Qcarga
Qhumos
Qagua
Qperdidas
Qinf iltraciones
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8.1.1.3. Análisis económico
Para analizar el impacto económico veremos cual es el ahorro que supone esta
reducción del consumo y lo compararemos con la inversión necesaria. Para ello
utilizaremos el indicador del período de retorno de la inversión, que nos indica en
cuanto tiempo el flujo de caja equilibra la inversión.
Para ello definimos el periodo de actividad del horno, que según los datos del
histórico de producción (tabla 4.4) son de 3015 horas anuales, que si supondremos
distribuidas uniformemente a lo largo del año serian 251,25 horas al mes.
Para hallar el ahorro primero necesitamos saber la diferencia de consumo:
50
Figura 8.2: Diagrama de Sankey del balance de energía para λ= 1,15%
100%
100,32%
100,31%
0,32%Calor sensible del aire
100%Calor de la combustion
0,01%Calor sensible del gas
27,77%Calor en humos
14,77%Calor perdidas
10,56%Calor refrigeración
1,49%Calor infiltracines
44,81%Calor aportado a la carga
0,92%Otros calores
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Consumo anterior−Nuevo consumo = Ahorro
62,76 − 18,66= 44,1m3(N )
h⋅251,25
hmes
= 11080m3(N )
mes
Dado que el PCS medio (tabla 4.1) es de 11,82 kWh/m3(N) la diferencia de
consumo en kWh será:
11080m3(N )
mes⋅11,82
kWhm3(N )
= 130941kWhmes
Con el precio del término variable del gas natural que es de 0,05693€/kWh
tendremos un ahorro mensual en euros de:
130941kWhmes
⋅0,05693€kWh
= 7454,45 € /mes
En la tabla 8.3 se resumen los valores del estudio económico.
En la figura 8.3 se puede ver el flujo de caja durante los primeros 12 meses.
51
Tabla 8.3: Resumen estudio económico de la mejora.
Consumo de gas anterior 186329,57 kWhConsumo de gas con la mejora 55388,97 kWhAhorro de gas anual 130940,61 kWhPrecio del gas (2013) 0,06 €/kWhAhorro económico anual 89453,38 €Inversión 3187,00 €Periodo de retorno 1,00 mes
Figura 8.3: Flujo de caja.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-10000
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
meses
€
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8.1.2.Conclusiones
Se ve claramente que el consumo de gas ha disminuido drásticamente a menos
de la mitad. Esto es esperable dado que el exceso de aire era desproporcionado.
En la tabla 8.3 vemos que el período de retorno es inmediato dado que la
inversión es mínima y el ahorro de la mejora es considerable. Además como se
puede ver en la figura 8.3 el ahorro anual es de alrededor de 90.000 €. Por lo tanto
está claro que la mejora tiene que llevarse a cabo.
Otra mejora colateral obtenida es la rebaja de las emisiones de CO2 a la
atmósfera. Este aspecto no hay que dejarlo de lado ya que desde un punto de vista
medioambiental es realmente importante, pero desde el punto de vista económico
puede ser interesante desde dos vertientes: primera la reducción de la huella de
carbono, clave para futuros análisis de ciclo de vida del producto y obtención de
sellos de calidad medioambiental, y segundo es la posible importancia futura de los
derechos de emisión CO2 y su comercio. La cantidad total que se deja de emitir a la
atmósfera es:
71,87m3(N )
h− 21,18
m3(N )
h= 50,96
m3(N )
h= 888,87 TmCO2/año
8.2. Estudio del precalentamiento del aire de combustión
Vemos que con la mejora anterior se ha bajado el consumo de gas y se ha
reducido el calor perdido por los humos. En cualquier caso este calor sigue siendo
del alrededor del 30% del calor generado por la combustión de gas natural, y con
una elevada temperatura por lo que es perfectamente aprovechable.
Una primera forma de intentar aprovechar este calor que se tira a la atmósfera es
utilizarlo para precalentar la el aire que entra en los quemadores del horno. Con esto
parte del calor que tiramos a la atmósfera reutiliza y se introduce de nuevo en el
horno. Esto disminuirá la necesidad de aire y bajará la cantidad de humos. Los
beneficios que obtendremos son:
• Menor consumo de gas.
• Menor volumen de humos.
52
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• Menor caudal de aire.
• Mayor rendimiento.
Para aprovechar el calor de los humos se utilizará un intercambiador de calor que
se colocará a la salida de las chimeneas. Este intercamibador, tambien llamado
regenerador, calentará el aire de combustión mientras enfría los humos.
8.2.1.Análisis de la mejora
Para el análisis de esta mejora partiremos de los resultados obtenidos con la
mejora anterior dado que queda claro que se implementará inmediatamente. Por lo
tanto tendremos:
8.2.1.1. Cálculo del calor intercambiado en el precalentador
Lo primero necesitamos saber cuanto calor está disponible para calentar el aire
de combustión.
Para ello determinamos primero la temperaturas que se darán en el
intercambiador:
• Temperatura salida de humos: Tc1 = 567º C
• Temperatura de los humos a la salida del intercambiador: esta temperatura
tiene que ser la mínima para aprovechar todo el calor disponible en los
humos, pero no suficientemente baja para que se produzcan condensaciones
ácidas. La temperatura recomendada para el gas natural, que tiene baja
concentración de azufre, es de Tc2 = 150º C.
• Temperatura de entrada del aire al intercambiador: será la temperatura
53
Tabla 8.4: Resumen datos de partida.
Exceso de aire 15%Valor unidad
Consumo de gas 18,66
Volumen aire combustión 223,82
Volumen humos 247,49
21,18
Vgas m3(N)/h
Vaire m3(N)/h
Vhumos m3(N)/h
Volumen CO2 en humos V
CO2 humos m3(N)/h
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ambiente Tf1=12º C
• Temperatura del aire a la salida del intercambiador: los quemadores
instalados no están diseñados para trabajar con aire caliente y la máxima
temperatura del aire de entrada puede ser de Tf2 = 150º C.
Para el cálculo consideraremos que el intercambiador tiene una eficiencia de un
60% que es valor conservador. Empezamos hallando el calor disponible con la
definición de eficiencia de un intercambiador:
ϵ =QQ max
=Q
(m⋅ce) f ⋅(T c1 − T f 1)
• El calor calorífica específico medio del aire es: cea = 1,012 kJ/kg·K
• ρaire = 1,29 kg/m3
• m aire = V aire⋅ρaire = 223,82⋅1,29 = 289,25 kg
Por lo tanto sustituyendo:
Q = ϵ⋅(m⋅ce ) f ⋅(T c1 − T f 1)= 0,7⋅(286,25⋅1,012)⋅(567 − 12)= 97947,96kJkg
Esta es la cantidad de calor que se intercambiará. Para hallar la temperatura de
los humos a la salida necesitamos los siguiente datos:
• ρhumos = 1,28 kg/m3
• m humos = V humos⋅ρhumos= 247,49⋅1,28= 316,22 kg
• El calor específico medio de los humos es: ceh = 1,132 kJ/kg·K
Q =m humos⋅cch⋅(T c1 − T c 2) = 316,22⋅1,132⋅(567 − T c 2) = 97474,96T c2 = 294,7 º C
Esta es la temperatura de salida de los humos para obtener una temperatura de
aire precalentado de 150º C.
Para valorar la mejora calcularemos el balance energético con una temperatura
de precalentamiento del aire de combustión de 150º C y una temperatura de salida
de humos de 294,7º C.
8.2.1.2. Cálculo de calores
Con estos datos recalculamos el balance energético del horno y hallaremos el
54
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nuevo consumo de gas, Vgas.
El balance queda como sigue (anexo 13, pag. 122):
8.2.1.2.1. Calor de la combustión
Los datos no varían respecto al anterior cálculo por lo tanto tendremos:
Q combustión = V gasm3(N )
h⋅10,65
kWhm3(N )
⋅3,6MJkWh
= V gas⋅38344,65kJh
8.2.1.2.2. Calor sensible del combustible
En este caso las temperaturas de suministro y ambiento no varían por lo que las
entalpías tampoco lo hacen y la densidad sigue siendo la misma:
Q gas = V gasm3(N )
h⋅0,8093
kgm3(N )
⋅(−4,132)kJkg
= V gas⋅(−179,75)kJh
8.2.1.2.3. Calor sensible del aire
En este caso los datos varían dado que cambiamos la temperatura de entrada a
los quemadore:
• Masa molar del aire: Maire = 28,97 kg/kmol.
• ρaire = 1,29 kg /m3
• El volumen de aire de combustión será : Vaire = 12 m3 aire / m3 gas
• Entalpía del aire a 150º C: haire = 424,76 kJ/kg
• Entalpía del aire a temperatura ambiente (12ºC): ha = 285,51 kJ/kg
Sustituyendo en al expresión [13]:
Q aire= 12m3(N )airem3(N )gas
⋅1,29kg
m3(N )aire⋅ V gas
m3(N )gash
⋅(424,76−285,51)kJkg
=
=V gas⋅ 2155,59kJh
8.2.1.2.4. Calor agua de refrigeración
El calor retirado por el agua de refrigeración no depende del consumo de gas,
por lo tanto no varía y es igual a:
55
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Q agua refrigeración = 75536,88kJh
8.2.1.2.5. Calor aportado a la carga
El calor aportado a la carga no varia y es igual a:
Q carga = 320568,86kJh
8.2.1.2.6. Calor de los humos de combustión
En este caso la temperatura de los humos a la salida es menor por lo que la
variación de la entalpía cambia. También varía el volumen de humos.
El calor contenido en los humos de combustión vendrá dado por la expresión
siguiente:
Q humos= m humos⋅Δ hhumos = V humos⋅ρhumos⋅V gas⋅Δhhumos [25]
Para obtener la entalpía de los humos de combustión utilizaremos el programa
ES_FlueGas. Entrando con los porcentajes en volumen de la composición de los
humos y definiendo la temperatura de referencia para el cálculo de la entalpía la
ambiente tf1 = 12ºC, y la temperatura de los gases tc2 = 294,7º C, tendremos:
56
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El resultado de la variación de entalpía entre la temperatura de los humos y la
ambiente es de:
Δ hhumos = 318,16kJkg
La masa molar de los humos de la combustión la obtenemos también del
software y es: Mhumos = 27,84 kg/kmol.
Con este dado la densidad en condiciones normales será:
ρhumos=m humos
V humos
=p⋅M humos
R⋅T=
1⋅27,840,082⋅273,15
= 1,28kgm3(N )
El volumen de humos es: Vhumos = 13,27 m3 humos / m3 gas. Con estos datos
sustituyendo en la expresión [25] tendremos:
57
Figura 8.4: Pantalla de salida cálculo entalpía. [ES_FlueGas].
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Q humos=13,27m3(N )humosm3(N ) gas
⋅1,28kgm3(N )
⋅V gasm3(N ) gas
h⋅318,16
kJkg
= V gas⋅5242kJh
8.2.1.2.7. Calor por perdidas radiación y convección
La variación de las pérdidas será mínima y no la consideraremos por lo que
supondremos que no varía, por lo que es igual a:
Q perdidas = 105640,75kJh
8.2.1.2.8. Calor por infiltraciones
Como en el caso anterio consideramos que se mantienen. Por lo tanto:
Q infiltraciones = 10623,65kJh
8.2.1.1.1. Calor por perdidas varias
Como en el caso anterior consideramos que se mantienen constantes.
Tendremos:
Qvarias = 6557,64kJh
8.2.1.1. Resultados
Con las ecuaciones anteriores resolveremos la incógnita del nuevo consumo de
gas mediante la siguiente ecuación:
∑ Qentrantes −∑ Qsalientes = 0(Q combustión + Q sensible aire + Qsensible gas )−
−(Qagua refrigeración + Q carga + Q perdidas + Qhumos + Qaire inf + Qotros calores)= 0
En la siguiente tabla se especifican los resultados del balance energético
comparándolo con los valores sin modificar el exceso de aire.
58
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Comparando con los resultados de la mejora de la combustión se ve que el
consumo es menor.
El diagrama de Sankey quedaría como sigue:
59
Tabla 8.5: Comparación de resultados con aire precalentado a 150ºC.
Exceso de aire 15% Aire precalentadoValor unidad Valor unidad
Consumo de gas 18,66 14,72
Volumen aire combustión 223,82 176,58
Volumen humos 247,49 195,25
21,18 16,71
Rendimiento 44,81% 56,80%
Calor de la combustión 715320,54 kJ/h 564346,94 kJ/h
Calor sensible del gas -62,39 kJ/h -49,22 kJ/h
Calor sensible del aire 2324,14 kJ/h 31780,52 kJ/h
Calor cedido a la carga -320568,86 kJ/h -320568,86 kJ/h
Calor en los humos -198654,52 kJ/h -77150,47 kJ/h
Calor agua refrigeración -75536,88 kJ/h -75536,88 kJ/h
Calor perdidas rad + convección -105640,75 kJ/h -105640,75 kJ/h
Calor infiltraciones -10623,65 kJ/h -10623,65 kJ/h
Otros calores -6557,64 kJ/h -6557,64 kJ/h
Vgas m3(N)/h m3(N)/h
Vaire m3(N)/h m3(N)/h
Vhumos m3(N)/h m3(N)/h
Volumen CO2 en humos V
CO2 humos m3(N)/h m3(N)/hη
horno
Qcombustion
Qgas
Qaire
Qcarga
Qhumos
Qagua
Qperdidas
Qinf iltraciones
Qv arios
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8.2.1.2. Análisis económico
Para analizar el impacto económico veremos cual es el ahorro que supone esta
reducción del consumo y lo compararemos con la inversión necesaria. Para ello
utilizaremos el indicador del período de retorno de la inversión, que nos indica en
cuanto tiempo el flujo de caja equilibra la inversión. Realizaremos esta comparación
con la de la mejora de la reducción de exceso de aire, dado que esta se llevará a
cabo y es de donde partiremos.
Para ello definimos el periodo de actividad del horno, que según los datos del
histórico de producción (tabla 4.4) son de 3015 horas anuales, que si supondremos
60
Tabla 8.6: Diagrama de Sankey del balance de energía para precalentamiento a 150ºC
100%
105,63%
5,63%Calor sensible del aire
100%Calor de la combustion
0,01%Calor sensible del gas
13,67%Calor en humos
18,72%Calor perdidas
13,38%Calor refrigeración
1,88%Calor infiltracines
56,80%Calor aportado a la carga
1,16%Otros calores
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distribuidas uniformemente a lo largo del año serian 251,25 horas al mes.
Para hallar el ahorro primero necesitamos saber la diferencia de consumo:
Consumo anterior−Nuevo consumo = Ahorro
18,66− 14,72= 3,94m3(N )
h⋅251,25
hmes
= 989,25m3(N )
mes
Dado que el PCS medio (tabla 4.1) es de 11,82 kWh/m3(N) la diferencia de
consumo en kWh será:
989,25m3(N )
mes⋅11,82
kWhm3(N )
= 11690kWhmes
Con el precio del término variable del gas natural que es de 0,05693€/kWh
tendremos un ahorro mensual en euros de:
11690kWhmes
⋅0,05693€kWh
= 665,53 € /mes
En la tabla 8.7 se resumen los valores del estudio económico.
En la figura 8.5 se puede ver el flujo de caja durante los primeros 12 meses.
61
Tabla 8.7: Resumen estudio económico de la mejora.
Consumo de gas anterior 55388,97 kWhConsumo de gas con la mejora 43698,64 kWhAhorro de gas anual 11690,32 kWhPrecio del gas (2013) 0,057 €/kWhAhorro económico anual 7986,36 €Inversión 13513,00 €Periodo de retorno 1,69 años
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8.2.2.Conclusiones
Aunque el consumo disminuye la mejor no es extraordinaria.
En la tabla 8.7 vemos que el período de retorno es de menos de 2 años. Es un
periodo relativamente corto por lo que parece interesante realiza esta mejora.
Ademas el ahorro anual es de aproximadamente 8000€ durante la vida de la
instalación,
La cantidad total de CO2 que se deja de emitir a la atmósfera es:
21,18m3(N )h
− 16,71m3(N )h
= 4,47m3(N )h
= 72,13 TmCO2/año
8.3. Estudio del precalentamiento de aire con cambio de
quemadores
Como hemos visto en el apartado anterior los quemadores pueden trabajar con
una temperatura máxima de aire de 150º C. Pero aun se puede aprovecha parte del
calor que se escapa por la chimenea. Esto supondría una inversión mas importante
62
Figura 8.5: Flujo de caja para el caso de precalentamiento a 150ºC.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-16000
-14000
-12000
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000Flujo de caja
meses
€
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dado que habría que cambiar los 6 quemadores. Los valoraremos a continuación.
Para el cálculo mantenemos constante la relación entre la cantidad de aire y la
de combustible.
8.3.1.Análisis de la mejora
Para el análisis de esta mejora partiremos de los resultados obtenidos con la
mejora de ajuste del execeso de aire en los quemadores. Por lo tanto tendremos:
8.3.1.1. Cálculo del calor intercambiado en el precalentador
En este caso las temperaturas consideran son:
Para ello determinamos primero la temperaturas que se darán en el
intercambiador:
• Temperatura salida de humos: Tc1 = 567º C
• Temperatura de los humos a la salida del intercambiador: en este caso será la
mínima posible Tc2 = 150º C.
• Temperatura de entrada del aire al intercambiador: será la temperatura
ambiente Tf1=12º C
• Temperatura del aire a la salida del intercambiador es la primera incógnita que
hallaremos.
Al igual que para el caso anterior que el intercambiador tiene una eficiencia de un
60%. El calor disponible en el intercambio será el mismo que en el caso anterior ya
que las temperaturas extremas no varían:
63
Tabla 8.8: Resumen datos de partida.
Exceso de aire 15%Valor unidad
Consumo de gas 18,66
Volumen aire combustión 223,82
Volumen humos 247,49
21,18
Vgas m3(N)/h
Vaire m3(N)/h
Vhumos m3(N)/h
Volumen CO2 en humos V
CO2 humos m3(N)/h
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ϵ =QQ max
=Q
(m⋅ce) f ⋅(T c1 − T f 1)
Q = ϵ⋅(m⋅ce ) f ⋅(T c1 − T f 1)= 0,7⋅(286,25⋅1,012)⋅(567 − 12)= 97947,96kJkg
Esta es la cantidad de calor máxima que se intercambiará. Para hallar la
temperatura del aire a la salida necesitamos los siguiente datos:
• El calor calorífica específico medio del aire es: cea = 1,012 kJ/kg·K
• ρaire = 1,29 kg/m3
• m aire = V aire⋅ρaire = 223,82⋅1,29 = 289,25 kg
Sustituyendo:
Q =m aire⋅cea⋅(T f 2 − T f 1)= 289,25⋅1,012⋅(T f 2 − 12)= 97474,96T f 2 = 345º C
Para valorar la mejora calcularemos el balance energético con una temperatura
de precalentamiento del aire de combustión de 345º C y una temperatura de salida
de humos de 150º C.
8.3.1.2. Cálculo de calores
Con estos datos recalculamos el balance energético del horno y hallaremos el
nuevo consumo de gas, Vgas.
El balance queda como sigue (anexo 14, pag. 128):
8.3.1.2.1. Calor de la combustión
Los datos no varían respecto al anterior cálculo por lo tanto tendremos:
Q combustión = V gasm3(N )
h⋅10,65
kWhm3(N )
⋅3,6MJkWh
= V gas⋅38344,65kJh
8.3.1.2.2. Calor sensible del combustible
En este caso las temperaturas de suministro y ambiento no varían por lo que las
entalpías tampoco lo hacen y la densidad sigue siendo la misma:
64
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Q gas = V gasm3(N )
h⋅0,8093
kgm3(N )
⋅(−4,132)kJkg
= V gas⋅(−179,75)kJh
8.3.1.2.3. Calor sensible del aire
En este caso los datos varían dado que cambiamos la temperatura de entrada a
los quemadore:
• Masa molar del aire: Maire = 28,97 kg/kmol.
• ρaire = 1,29 kg /m3
• El volumen de aire de combustión será : Vaire = 12 m3 aire / m3 gas
• Entalpía del aire a 345º C: haire = 626,42 kJ/kg
• Entalpía del aire a temperatura ambiente (12ºC): ha = 285,51 kJ/kg
Sustituyendo en al expresión [13]:
Q aire= 12m3(N )airem3(N )gas
⋅1,29kg
m3(N )aire⋅ V gas
m3(N )gash
⋅(626,42−285,51)kJkg
=
=V gas⋅ 5286,68kJh
8.3.1.2.4. Calor agua de refrigeración
El calor retirado por el agua de refrigeración no depende del consumo de gas,
por lo tanto no varía y es igual a:
Q agua refrigeración = 75536,88kJh
8.3.1.2.5. Calor aportado a la carga
El calor aportado a la carga no varia y es igual a:
Q carga = 320568,86kJh
8.3.1.2.6. Calor de los humos de combustión
En este caso la temperatura de los humos a la salida es menor por lo que la
variación de la entalpía cambia. También varía el volumen de humos.
65
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
El calor contenido en los humos de combustión vendrá dado por la expresión
siguiente:
Q humos= m humos⋅Δ hhumos = V humos⋅ρhumos⋅V gas⋅Δhhumos [26]
Para obtener la entalpía de los humos de combustión utilizaremos el programa
ES_FlueGas. Entrando con los porcentajes en volumen de la composición de los
humos y definiendo la temperatura de referencia para el cálculo de la entalpía la
ambiente tf1 = 12ºC, y la temperatura de los gases tc2 = 150º C, tendremos:
El resultado de la variación de entalpía entre la temperatura de salida de los
humos y la ambiente es de:
Δ hhumos = 152,89kJkg
66
Figura 8.6: Pantalla de salida cálculo entalpía. [ES_FlueGas].
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
La masa molar de los humos de la combustión la obtenemos también del
software y es: Mhumos = 27,84 kg/kmol.
Con este dado la densidad en condiciones normales será:
ρhumos=m humos
V humos
=p⋅M humos
R⋅T=
1⋅27,840,082⋅273,15
= 1,28kgm3(N )
El volumen de humos es: Vhumos = 13,27 m3 humos / m3 gas. Con estos datos
sustituyendo en la expresión [26] tendremos:
Q humos=13,27m3(N )humosm3(N ) gas
⋅1,28kgm3(N )
⋅V gasm3(N ) gas
h⋅152,89
kJkg
= V gas⋅2519,01kJh
8.3.1.2.7. Calor por perdidas radiación y convección
La variación de las pérdidas será mínima y no la consideraremos por lo que
supondremos que no varía, por lo que es igual a:
Q perdidas = 105640,75kJh
8.3.1.2.8. Calor por infiltraciones
Como en el caso anterior consideramos que se mantienen. Por lo tanto:
Q infiltraciones = 10623,65kJh
8.3.1.1.1. Calor por perdidas varias
Como en el caso anterior consideramos que se mantienen constantes.
Tendremos:
Qvarias = 6557,64kJh
8.3.1.1. Resultados
Con las ecuaciones anteriores resolveremos la incógnita del nuevo consumo de
gas mediante la siguiente ecuación:
67
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∑ Qentrantes −∑ Qsalientes = 0(Q combustión + Q sensible aire + Qsensible gas )−
−(Qagua refrigeración + Q carga + Q perdidas + Qhumos + Qaire inf + Qotros calores)= 0
En la siguiente tabla se especifican los resultados del balance energético
comparándolo con los resultados obtenidos con el exceso de aire modificadoe.
8.3.1.2. Análisis económico
Para analizar el impacto económico veremos cual es el ahorro que supone esta
reducción del consumo y lo compararemos con la inversión necesaria.
Para hallar el ahorro primero necesitamos saber la diferencia de consumo:
Consumo anterior−Nuevo consumo= Ahorro
18,66− 12,63= 6,02m3(N )
h⋅251,25
hmes
= 1513m3(N )
mes
Dado que el PCS medio (tabla 4.1) es de 11,82 kWh/m3(N) la diferencia de
consumo en kWh será:
1513m3(N )
mes⋅11,82
kWhm3(N )
= 17879kWhmes
Con el precio del término variable del gas natural que es de 0,05693€/kWh
tendremos un ahorro mensual en euros de:
68
Tabla 8.9: Comparación de resultados con aire precalentado a 345ºC.
Exceso de aire 15% Aire precalentado a 345ºCValor unidad Valor unidad Diferencia
Consumo de gas 18,66 12,63 -32,28%
Volumen aire combustión 223,82 151,57 -32,28%
Volumen humos 247,49 167,60 -32,28%
21,18 14,34 -32,28%
Rendimiento 44,81% 66,23% 21,41%
Calor de la combustión 715320,54 kJ/h 484032,98 kJ/h -32,33%
Calor sensible del gas -62,39 kJ/h -42,22 kJ/h -32,33%
Calor sensible del aire 2324,14 kJ/h 66735,09 kJ/h 2771,39%
Calor cedido a la carga -320568,86 kJ/h -320568,86 kJ/h 0%
Calor en los humos -198654,52 kJ/h -31798,07 kJ/h -83,99%
Calor agua refrigeración -75536,88 kJ/h -75536,88 kJ/h 0%
Calor perdidas rad + convección -105640,75 kJ/h -105640,75 kJ/h 0%
Calor infiltraciones -10623,65 kJ/h -10623,65 kJ/h 0%
Otros calores -6557,64 kJ/h -6557,64 kJ/h 0%
Vgas m3(N)/h m3(N)/h
Vaire m3(N)/h m3(N)/h
Vhumos m3(N)/h m3(N)/h
Volumen CO2 en humos V
CO2 humos m3(N)/h m3(N)/hη
horno
Qcombustion
Qgas
Qaire
Qcarga
Qhumos
Qagua
Qperdidas
Qinf iltraciones
Qv arios
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17879kWhmes
⋅0,05693€kWh
= 1017,88 € /mes
En la tabla 8.10 se resumen los valores del estudio económico.
En la figura Error: No se encuentra la fuente de referencia se puede ver el flujo
de caja durante los primeros 12 meses.
8.3.2.Conclusiones
Como se presuponía la inversión necesaria no justifica la reducción de consumo
conseguida con esta mejora por si sola
69
Tabla 8.10: Resumen estudio económico de la mejora.
Consumo de gas anterior 55388,97 kWhConsumo de gas con la mejora 37509,51 kWhAhorro de gas anual 17879,46 kWhPrecio del gas (2013) 0,0569 €/kWhAhorro económico anual 12214,53 €Inversión 188186,00 €Periodo de retorno 15,41 años
Figura 8.7: Flujo de caja para el caso de precalentamiento a 345ºC.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-200000
-150000
-100000
-50000
0
50000Flujo de caja
meses
€
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En este caso la reducción de CO2 que se deja de emitir a la atmósfera es:
21,18m3(N )
h− 14,34
m3(N )
h= 4,47
m3(N )
h= 110,37 TmCO2/año
70
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
9.Conclusiones y recomendaciones finales.
Se listan en la tabla inferior los resultados de las diferentes mejoras:
Como se ha expuesto se adoptará inmediatamente la mejora del ajuste de los
quemadores ya que es muy barata de aplicar y supone un ahorro muy importante,
aparte de la importante reducción de emisión de CO2.
En cuanto a las mejora de precalentar el aire de combustión parece que la
aconsejable es la de no cambiar los quemadores, dado que la inversión para
cambiar los quemadores es muy alta y su periodo de retorno no es adecuado.
Sin embargo teniendo en cuenta el ahorro casi “gratis” que supone reducir el
exceso de aire tendríamos lo siguiente si las consideramos conjuntamente:
En este caso el período de retorno es de aproximadamente dos años, que es una
cifra muy aceptable, además de suponer una ahorro económico desde el primer mes
de unos 8472,32 €,
Por lo tanto:
71
Tabla 9.1: Comparación de resultados.
'λ = 264% 'λ = 15% Aire Prec 150ºC Aire Prec 345ºC
unidad Valor Valor Valor Valor
Consumo de gas 63,77 18,66 14,72 12,63
Volumen aire combustión 2421,76 223,82 176,58 151,57
Volumen humos 2490,00 247,49 195,25 167,60
73,04 21,18 16,71 14,34
Rendimiento % 0,13 44,81% 56,80% 66,23%
Coste de la mejora € 3.187,00 € 13.513,00 € 188.186,00 €
Ahorro anual € 89.453,38 € 7.986,36 € 12.214,53 €
Período de retorno Años 1 mes 1,69 15,41
Vgas m3(N)/h
Vaire m3(N)/h
Vhumos m3(N)/h
Volumen CO2 en humos V
CO2 humos m3(N)/h
ηhorno
Tabla 9.2: Datos económicos considerando las dos mejoras
Consumo de gas anterior 186330 kWhConsumo de gas con la mejora 37510 kWhAhorro de gas anual 148820 kWhPrecio del gas (2013) 0,05693 €/kWhAhorro económico anual 101667,91 €Inversión 191.373,00 € €Periodo de retorno 1,88 años
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
1 – Ser recomienda ajustar los quemadores inmediatamente.
2 – Dependiendo de la capacidad financiera de la empresa se recomienda
adoptar el precalentamiento con intercambiador de calor a 345ºC.
3 – Si por razones económicas no se puede llevar a cabo la anterior mejora
cambiando los quemadores, si que se tendría que instalar una intercambiador para
introducir el aire de combustión a 150º C, ya que, si se diseña adecuadamente,
puede valer para si en un futuro se cambian los quemadores y la inversión
considerando el ahorro combinado con el ajuste de los quemadores es pequeña.
72
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
10. Bibliografía
• Gas Natural. Características, distribución y aplicaciones industriales.
http://books.google.com/books?
id=QKM6R6OInP8C&dq=Gas+Natural&ie=ISO-8859- 1&source=gbs_gdata
• System Specifications – Operations Manual, Revision date 23 March, 1998, –
Glasstech, Inc.
• El vidrio, J. Mª FERNANDEZ NAVARRO, CSIC, (1985)
• Eclipse Combustion Engineering Guide, Eclipse Inc., Eighth Edition EFE-825,
8/04
• Hornos Industriales Volumen 1, W. Trinks y N.H. Mawhinney, (1975)
• UNE-EN-572-1:1994 Vidrio para construcción. Productos básico de vidrio.
Vidrio de silicato sodocálcico. Parte 1: Definiciones y propiedades generales
físicas y mecánicas.
• Industrial and process Furnaces, Peter Mullinger and Barrie Jenkins, 2008.
• Heat exachangers. Selection, rating and thermal design, 2002, Sadik Kakaç /
Hongtan Liu.
• Biblioteca sobre ingeniaría energética, Pedro Fernández Díez
http://es.pfernandezdiez.es/
73
ANEXOS
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Anexo 1 Características de los quemadores instalados
75
• All information is based on laboratory testing in neutral (0.0" w.c.) pressure chamber. Different chamber size and conditions mayaffect the data.
• All information is based on standard combustor design. Changes in combustor will alter performance and pressures.• All inputs based upon gross calorific values.• Eclipse reserves the right to change the construction and/or configuration of our products at any time without being obliged to adjust
earlier supplies accordingly.• Plumbing of air and gas will affect accuracy of orifice readings. All information is
based on generally acceptable air and gas piping practices.
Parameter Burner Velocity Model TJ0100Maximum Input BTU/hr (kW) Medium & High Velocity 1,000,000 (293)Minimum Input, On-Ratio BTU/hr (kW) Medium & High Velocity 100,000 (29)Minimum Input, Fixed Air BTU/hr (kW) Medium & High Velocity 20,000 (6)
Gas Inlet Pressure Required "w.c. (mbar)Fuel Pressure at Gas Inlet (Tap “B” - see page 3)
High Velocity Natural Gas 12.5 (31.0)Propane 13.5 (34.0)Butane 14.5 (36.0)
Medium Velocity Natural Gas 5.5 (14.0)Propane 8.0 (20.0)Butane 7.5 (19.0)
Air Inlet Pressure Required "w.c. (mbar)15% Excess Air at Maximum Input (Tap “A” - see page 3)
High Velocity Natural Gas 16.5 (41.0)Propane 17.0 (43.0)Butane 17.0 (43.0)
Medium Velocity Natural Gas 9.0 (23.0)Propane 9.0 (23.0)Butane 9.0 (23.0)
High Fire Flame Length Inches (mm) (Measured from End of Combustor)
High Velocity Natural Gas 33 (835)Propane 34 (865)Butane 35 (890)
Medium Velocity Natural Gas 38 (965)Propane 37 (940)Butane 42 (1065)
Maximum Flame Velocity ft/s (m/s)15% Excess Air at Maximum Input
High Velocity 500 (152.4)Medium Velocity 250 (76.2)
Maximum Combustion Air Temperature 300°F (149°C). For higher temperatures, use TJPCA (Data 206).Flame Detection UV scanners available for all combustors.
Flamerod available for all combustors and operating temperatures up to 2,200°F (1,204°C).
Fuel Natural gas, propane, or butane. For any other mixed gas, contact Eclipse for orifice sizing.
Approvals
Eclipse ThermJetBurners
Model TJ0100
Data 205-5
5/21/2010
Version 2
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
76
2 Eclipse ThermJet Model TJ0100 V2, Data 205-5, 5/21/2010
Performance Graphs
Input (x 1,000 BTU/hr)
Operational/Ignition Zone
% E
xce
ss A
ir
10
100
1,000
10,000
Input (kW)
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
120
NO
X p
pm
(a
t 3%
O2)
Input (x 1,000 BTU/hr)
Input (kW)
0 200 400 600 800 1000
0 50 100 150 200 250 300
NOX - Natural Gas
NOX - Propane
NOX - Butane
NOX Emissions(High Velocity Combustor)
0
2
4
6
8
0 250 500 750 1,000 1,250Input (x 1,000 BTU/hr)
Gas Orifice ∆P vs. Input(Measured from Tap B to Tap D)
∆P
("w
.c. ±
10%
)
0 75 150 225 300 375
Input (kW)
0
5
10
15
20
∆P
(m
bar
± 1
0%)
0
2
4
6
8
0 250 500 750 1,000 1,250
Air Orifice ∆P vs. Input(Measured from Tap A to Tap C)
∆P
("w
.c. ±
10%
)
0 75 150 225 300 375
Input (kW)
0
5
10
15
20
∆P
(m
bar
± 1
0%)
Input (x 1,000 BTU/hr)
Air Orifice (57mm) ∆P6.0" w.c. at High Fire
High Fire Gas Orifice ∆P’sNatural Gas - 3.4" w.c.Propane - 6.1" w.c.Butane - 5.1" w.c.
Nat. Gas ∆P - 18mm orificePropane ∆P - 13mm orificeButane ∆P - 13mm orifice
Ignition and Operational Zone
Correction factor for medium velocity combustor is 1.20.Emissions data based on on-ratio control, firing 15%excess air, corrected to 3% O2.
Emissions from the burner are influenced by:• Fuel type
• Combustion air temperature
• Firing rate
• Chamber conditions
• Percent of excess air
For estimates of other emissions, contact Eclipse.
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
77
3Eclipse ThermJet Model TJ0100 V2, Data 205-5, 5/21/2010
Dimensions in inches (mm)
8.74 (222)
4 x Ø0.55 (14)
10.5(267)
0.40 (10)
Ø5.56(141)
4 x Ø0.47 (12)
Ø7.48 (190)
Ø8.66 (220)
4 x Ø0.47(12) Ø7.48 (190)
1-1/2" NPT or BSP
3" NPTor BSP
3.19(81)
8.58(218)
Ø5.82(148)
4 x Ø0.47 (12)
0.25 (6.4)
Tap “A”
Tap “C”
Silicon Carbide TubeWeight: 3.2 lbs (1.45 kg)Max Chamber Temp: 2,500°F (1371°C)
Refractory Block (w/RA330 wrapper)Weight: 61.3 lbs (28 kg)Max Chamber Temp: 2,800°F (1538°C)
Alloy Tube (AISI 310)Weight: 3.2 lbs (1.45 kg)Max Chamber Temp: 1,750°F (950°C)
0.37 (9.5)
CombustorExhaust Outlet Diameter: High Velocity: Ø2.13 (54) Medium Velocity: Ø3.0 (76.4)
Burner weight less combustor: 42 lbs (19 kg)
5.51(140)
9.45(240)
3.62(92)
4.13(105)
9(229)
Ø7.48 (190)
12(305)
1/2" NPT Flame Rod
or UV Scanner Adapter
Spark PlugM14
8.62(219)
6.65(169)
Burner Housing Tap Locations
Tap “D”
Tap “B”
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Anexo 2 Características de los quemadores para aire
precalentado
78
• All information is based on laboratory testing in neutral (0.0" w.c.) pressure chamber. Different chamber size andconditions may affect the data.
• All information is based on standard combustor design. Changes in combustor will alter performance and pressures.
• All inputs based upon gross calorific values.
• Eclipse reserves the right to change the construction and/or configuration of our products at any time without beingobliged to adjust earlier supplies accordingly.
• Plumbing of air and gas will affect accuracy of orifice readings. All information is based on generally acceptable airand gas piping practices.
Parameter
Specifications
Natural Gas Propane Butane
Maximum Input BTU/hr (kW) 1,000,000(293)
1,000,000(293)
1,000,000(293)
Minimum Input, On-Ratio BTU/hr (kW) 100,000(29)
100,000(29)
100,000(29)
Gas Inlet Pressure Required "w.c. (mbar)Fuel Pressure at Gas Inlet (Tap “B” - see page 3)
Co
mb
ust
ion
Air
Te
mp Ambient 5.5
(13.7)8.0
(19.9)7.5
(18.6)
300°F(150°C)
6.7(16.7)
9.2(22.9)
8.7(21.7)
700°F(370°C)
8.9(22.2)
11.4(28.4)
10.9(27.2)
1000°F(540°C)
10.6(26.3)
13.1(32.6)
12.6(31.3)
Air Inlet Pressure Required "w.c. (mbar)15% Excess Air at Maximum Input (Tap “A” - see page 3)
Co
mb
ust
ion
Air
Te
mp Ambient 3.5
(8.7)3.5
(8.7)3.5
(8.7)
300°F(150°C)
5(12.5)
5(12.5)
5(12.5)
700°F(370°C)
7.7(19.2)
7.7(19.2)
7.7(19.2)
1000°F(540°C)
9.6(23.9)
9.6(23.9)
9.6(23.9)
High Fire Flame Length Inches (mm) (Measured from End of Combustor)
<38.0(965)
<37.0(940)
<42.0(1065)
Flame Detection UV scanner available for all combustors.
FuelFor any other mixed gas, contact Eclipse for orifice sizing.
Natural gas, propane, or butane
Eclipse ThermJet Burnersfor Preheated Combustion Air
Model TJPCA0100
Data 206-5
4/26/2010
Version 2
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
79
2 Eclipse Model TJPCA0100 V2, Data 206-5, 4/26/2010
Performance Graphs
NOX vs Preheated Air Temperatures(Based on Maximum Firing Rate)
0 200(93)
400(204)
600(316)
800(427)
1000(538)
0
20
40
60
80
100
120
Preheated Air Temperatures °F (°C)
NO
X p
pm
(@
3%
O2)
140
160
180
Natural GasProp./Butane
Input (x 1,000 BTU/hr)
Operational/Ignition Zone
% E
xce
ss A
ir10
100
1,000
10,000
Input (kW)
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50 100 150 200 250 300 350
0
2
4
6
8
0 250 500 750 1,000 1,250Input (x 1,000 BTU/hr)
Gas Orifice ∆P vs. Input(Measured from Tap B to Tap D)
∆P
("w
.c. ±
10%
)
0 75 150 225 300 375
Input (kW)
0
5
10
15
20
∆P
(m
bar
± 1
0%)
High Fire Gas Orifice ∆P'sNatural Gas - 3.4" w.cPropane - 6.1" w.c.Butane - 5.1" w.c.
Nat. Gas ∆P - 18 mm orificePropane ∆P - 13 mm orificeButane ∆P - 13 mm orifice
Ignition and Operational Zone
Emissions from the burner are influenced by:• Fuel type• Combustion air temperature• Firing rate• Chamber conditions
• Percent of excess air
For estimates of other emissions, contact Eclipse.
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
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3Eclipse Model TJPCA0100 V2, Data 206-5, 4/26/2010
Dimensions in inches (mm)
8.74(222)
4 x Ø 0.55 (14)
10.5(267)
0.40 (10)
Ø 5.55(141)
4 x Ø 0.47 (12)
Ø 7.48 (190)
Ø 8.66 (220)
4 x Ø 0.47 (12) Ø 7.48 (190)
1-1/2" NPT or BSP
3" NPTor BSP
3.19(81)
8.58(218)
Ø 5.83(148)
4 x Ø 0.47 (12)
0.25 (6.4)
Tap “A”
Tap “C”
Silicon Carbide TubeWeight: 3.2 lbs (1.45 kg)Max. Chamber Temp: 2,200°F (1200°C)
Refractory Block (w/RA330 wrapper)Weight: 61.3 lbs (28 kg)Max Chamber Temp: 2,800°F (1538°C)
Alloy Tube (AISI 310)Weight: 3.2 lbs (1.45 kg)Max Chamber Temp: 1,750°F (950°C)(Not suitable for preheated air over 700°F)
0.37 (9.5)
CombustorExhaust Outlet Diameter - Medium Velocity: Ø 3 (76.4)
Burner weight less combustor: 42 lbs (19 kg)
5.5(140)
9.45(240)
3.6(92)
4.13(105)
9(229)
Ø 7.48 (190)
12(305)
1/2" NPT UV Scanner
Adapter
Spark PlugM14
8.62(219)
6.65(169)
Burner Housing Tap Locations
Tap “D”
Tap “B”
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
81
Data 206-5, 4/26/2010
Down Firing Block
4 x Ø 0.55(14)
Ø 15(380)
Ø 13(330)
Ø 9(229.7)
Ø 10.7(272)
6.5(166)
8.6(219.1)
9.5
Weight: 75 lbs (34 kg)Max. Chamber Temp: 2800°F (1535°C)
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
Anexo 3 Datos relativos a la producción de vidrio
Los datos de producción necesarios se obtienen del histórico de partes de
producción de la empresa en los últimos años. A continuación se detallan en la
siguiente tabla un extracto de los datos necesarios.
82
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
83
Año Mes Piezas Producidas kg kg/pieza Actividad (min) Actividad anual (h) Turnos espesor medio kg/h m2/h2005-enero 2005 1 5944 67928 3897 11,43 0,66 12278 25,58 7,0 331,95 19,05
2005-febrero 2005 2 12862 157830 9730 12,27 0,76 17954 37,40 6,5 527,46 32,522005-marzo 2005 3 6329 58331 3408 9,22 0,54 9831 20,48 6,8 356,00 20,80
2005-abril 2005 4 7676 150812 8846 19,65 1,15 15492 32,28 6,8 584,08 34,262005-mayo 2005 5 11494 147244 9419 12,81 0,82 19575 40,78 6,3 451,32 28,872005-junio 2005 6 14392 126261 8145 8,77 0,57 20647 43,01 6,2 366,92 23,672005-julio 2005 7 20410 206243 13777 10,10 0,67 28494 59,36 6,0 434,28 29,01
2005-agosto 2005 8 3614 61706 3130 17,07 0,87 7413 15,44 7,9 499,43 25,332005-septiembre 2005 9 19692 116443 7342 5,91 0,37 19807 41,26 6,3 352,73 22,24
2005-octubre 2005 10 18333 189563 11645 10,34 0,64 26207 54,60 6,5 434,01 26,662005-noviembre 2005 11 19406 176413 11962 9,09 0,62 26120 54,42 5,9 405,24 27,482005-diciembre 2005 12 8167 133096 7871 16,30 0,96 15362 2939 32,00 6,8 519,84 30,74
2006-enero 2006 1 11953 166443 10050 13,92 0,84 23195 48,32 6,6 430,55 26,002006-febrero 2006 2 17186 225283 14178 13,11 0,82 28784 59,97 6,4 469,60 29,552006-marzo 2006 3 22497 286031 18205 12,71 0,81 32664 68,05 6,3 525,41 33,44
2006-abril 2006 4 17852 201851 13325 11,31 0,75 24556 51,16 6,1 493,20 32,562006-mayo 2006 5 19829 232046 15310 11,70 0,77 28089 58,52 6,1 495,67 32,702006-junio 2006 6 14335 185279 11419 12,92 0,80 25106 52,30 6,5 442,79 27,292006-julio 2006 7 11012 172221 11084 15,64 1,01 23745 49,47 6,2 435,17 28,01
2006-agosto 2006 8 6626 89031 5994 13,44 0,90 11815 24,61 5,9 452,14 30,442006-septiembre 2006 9 13363 160582 10148 12,02 0,76 23282 48,50 6,3 413,84 26,15
2006-octubre 2006 10 13019 152443 9960 11,71 0,77 22934 47,78 6,1 398,82 26,062006-noviembre 2006 11 12793 104848 7223 8,20 0,56 17066 35,55 5,8 368,63 25,392006-diciembre 2006 12 6593 69158 3843 10,49 0,58 11988 3416 24,98 7,2 346,13 19,24
2007-enero 2007 1 13417 111116 7536 8,28 0,56 17288 36,02 5,9 385,65 26,152007-febrero 2007 2 21766 181040 12366 8,32 0,57 23016 47,95 5,9 471,94 32,242007-marzo 2007 3 21678 211818 13740 9,77 0,63 27326 56,93 6,2 465,09 30,17
2007-abril 2007 4 16372 155696 9866 9,51 0,60 19498 40,62 6,3 479,11 30,362007-mayo 2007 5 11992 151034 8828 12,59 0,74 19961 41,59 6,8 453,98 26,542007-junio 2007 6 7639 177789 9705 23,27 1,27 21699 45,21 7,3 491,61 26,832007-julio 2007 7 7925 165354 9927 20,86 1,25 20734 43,19 6,7 478,51 28,73
2007-agosto 2007 8 2270 36660 2404 16,15 1,06 5444 11,34 6,1 404,04 26,502007-septiembre 2007 9 5150 128509 6857 24,95 1,33 16660 34,71 7,5 462,81 24,69
2007-octubre 2007 10 6636 161083 8897 24,27 1,34 20753 43,24 7,2 465,72 25,72
m2 m2/pieza
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Año Mes Piezas Producidas kg kg/pieza Actividad (min) Actividad anual (h) Turnos espesor medio kg/h m2/h2008-enero 2008 1 6993 193226 9262 27,63 1,32 18504 38,55 8,3 626,55 30,03
2008-febrero 2008 2 6245 120124 7292 19,24 1,17 15347 31,97 6,6 469,62 28,512008-marzo 2008 3 3595 60698 3533 16,88 0,98 8311 17,31 6,9 438,21 25,50
2008-abril 2008 4 3613 94865 4530 26,26 1,25 12876 26,83 8,4 442,04 21,112008-mayo 2008 5 6063 83169 4824 13,72 0,80 12124 25,26 6,9 411,61 23,872008-junio 2008 6 8781 149590 10245 17,04 1,17 17799 37,08 5,8 504,26 34,542008-julio 2008 7 9594 249800 16443 26,04 1,71 28108 58,56 6,1 533,23 35,10
2008-agosto 2008 8 1793 39430 2820 21,99 1,57 5097 10,62 5,6 464,19 33,202008-septiembre 2008 9 7846 213915 13940 27,26 1,78 24102 50,21 6,1 532,52 34,70
2008-octubre 2008 10 6448 163765 9983 25,40 1,55 20734 43,19 6,6 473,91 28,892008-noviembre 2008 11 4427 136363 8367 30,80 1,89 18209 37,94 6,5 449,32 27,572008-diciembre 2008 12 2993 83313 5263 27,84 1,76 11988 2204 24,98 6,3 416,97 26,34
2009-enero 2009 1 3510 68096 4264 19,40 1,21 10618 22,12 6,4 384,81 24,092009-febrero 2009 2 3809 58816 3284 15,44 0,86 10502 21,88 7,2 336,03 18,762009-marzo 2009 3 2071 51271 3058 24,76 1,48 9189 19,14 6,7 334,77 19,97
2009-abril 2009 4 2184 34421 2140 15,76 0,98 7191 14,98 6,4 287,20 17,852009-mayo 2009 5 3563 84801 5099 23,80 1,43 12944 26,97 6,7 393,08 23,632009-junio 2009 6 4994 84411 5180 16,90 1,04 15039 31,33 6,5 336,78 20,672009-julio 2009 7 4195 95473 5686 22,76 1,36 14749 30,73 6,7 388,39 23,13
2009-agosto 2009 8 1015 24276 1243 23,92 1,22 3919 8,16 7,8 371,67 19,032009-septiembre 2009 9 3605 88002 4685 24,41 1,30 11998 25,00 7,5 440,08 23,43
2009-octubre 2009 10 3646 58850 3554 16,14 0,97 8745 18,22 6,6 403,76 24,382009-noviembre 2009 11 3288 49380 2603 15,02 0,79 8031 16,73 7,6 368,93 19,452009-diciembre 2009 12 1654 30906 1774 18,69 1,07 5956 1185 12,41 7,0 311,37 17,87
2010-enero 2010 1 1873 28889 1683 15,42 0,90 4961 10,34 6,9 349,37 20,352010-febrero 2010 2 4061 36685 2380 9,03 0,59 7056 14,70 6,2 311,94 20,242010-marzo 2010 3 3707 58814 3576 15,87 0,96 9672 20,15 6,6 364,86 22,19
2010-abril 2010 4 1958 36231 2147 18,50 1,10 7075 14,74 6,8 307,25 18,202010-mayo 2010 5 3343 78145 4314 23,38 1,29 11178 23,29 7,2 419,48 23,162010-junio 2010 6 4240 75690 4637 17,85 1,09 12162 25,34 6,5 373,40 22,882010-julio 2010 7 3334 66700 4123 20,01 1,24 9498 19,79 6,5 421,35 26,04
2010-agosto 2010 8 1193 12549 890 10,52 0,75 2085 4,34 5,6 361,12 25,612010-septiembre 2010 9 3548 59284 3910 16,71 1,10 10048 20,93 6,1 353,99 23,35
2010-octubre 2010 10 2097 30302 1727 14,45 0,82 4981 10,38 7,0 365,03 20,802010-noviembre 2010 11 3615 91989 5243 25,45 1,45 13678 28,49 7,0 403,53 23,002010-diciembre 2010 12 3727 102767 5699 27,57 1,53 13378 1190 27,87 7,2 460,89 25,56
m2 m2/pieza
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Año Mes Piezas Producidas kg kg/pieza Actividad (min) Actividad anual (h) Turnos espesor medio kg/h m2/h2011-enero 2011 1 3146 57964 3526 18,42 1,12 10613 22,11 6,6 327,70 19,93
2011-febrero 2011 2 3742 73397 4473 19,61 1,20 10502 21,88 6,6 419,34 25,552011-marzo 2011 3 3787 69741 4449 18,42 1,17 11670 24,31 6,3 358,57 22,87
2011-abril 2011 4 3317 57293 3580 17,27 1,08 7481 15,58 6,4 459,53 28,712011-mayo 2011 5 6357 99603 6933 15,67 1,09 13108 27,31 5,7 455,91 31,732011-junio 2011 6 5796 81244 5897 14,02 1,02 12152 25,32 5,5 401,12 29,122011-julio 2011 7 5165 50234 3561 9,73 0,69 7954 16,57 5,6 378,95 26,86
2011-agosto 2011 8 1334 16095 1053 12,07 0,79 3079 6,41 6,1 313,63 20,532011-septiembre 2011 9 3442 38587 2643 11,21 0,77 7625 15,89 5,8 303,61 20,79
2011-octubre 2011 10 3375 39873 2598 11,81 0,77 8263 17,21 6,1 289,55 18,872011-noviembre 2011 11 3452 68424 3584 19,82 1,04 11651 24,27 7,6 352,38 18,462011-diciembre 2011 12 2716 52602 3347 19,37 1,23 7471 1201 15,56 6,3 422,45 26,88
m2 m2/pieza
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Anexo 4 Datos calidad del gas
Se listan en este anexo los datos de calidad del gas natural suministrado por
ENAGAS. Los datos fundamentales son los de PCI y PCS, y fracciones molares de
N2 y CO2 del gas.
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Tabla 4.1: Calidad gas natural. Datos año 2009.
Provincia Municipio Cod Municipio Mes Año Altitud (m) Temperatura (ºC) PCS (kWh/m3(N)) PCI (kWh/m3(N)) Densidad relativa N2 (%molar) CO2 (%molar)BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 enero 2009 471 10 11,7420 10,5800 0,6005 0,4876 0,1717BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 febrero 2009 471 10 11,8260 10,6580 0,6028 0,3415 0,0893BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 marzo 2009 471 10 11,6940 10,5340 0,5930 0,2366 0,0279BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 abril 2009 471 10 11,8380 10,6730 0,6172 0,6545 0,7312BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 mayo 2009 471 10 11,8180 10,6560 0,6221 0,8827 0,9574BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 junio 2009 471 10 11,8950 10,7270 0,6239 0,6785 0,9287BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 julio 2009 471 10 11,8270 10,6600 0,6089 0,3652 0,4473BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 agosto 2009 471 10 11,8780 10,7060 0,6049 0,2698 0,0730BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 septiembre 2009 471 10 11,8690 10,7010 0,6159 0,5398 0,6156BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 octubre 2009 471 10 11,7990 10,6340 0,6037 0,3413 0,2406BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 noviembre 2009 471 10 11,7620 10,6020 0,6120 0,5857 0,7269BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 diciembre 2009 471 10 11,7360 10,5760 0,6053 0,5224 0,4528
11,8070 10,6423 0,6092 0,4921 0,4552
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Tabla 4.2: Calidad gas natural. Datos año 2010.
Provincia Municipio Cod Municipio Mes Año Altitud (m) Temperatura (ºC) PCS (kWh/m3(N)) PCI (kWh/m3(N)) Densidad relativa N2 (%molar) CO2 (%molar)BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 enero 2010 471 10 11,8050 10,6390 0,6056 0,4481 0,2684BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 febrero 2010 471 10 11,7420 10,5810 0,6017 0,5609 0,1767BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 marzo 2010 471 10 11,7610 10,6010 0,6112 0,7606 0,5645BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 abril 2010 471 10 11,8550 10,6860 0,6070 0,2851 0,2776BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 mayo 2010 471 10 11,8110 10,6460 0,6096 0,4165 0,5166BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 junio 2010 471 10 11,8620 10,6950 0,6207 0,6029 0,8880BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 julio 2010 471 10 11,8400 10,6720 0,6055 0,3559 0,1947BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 agosto 2010 471 10 11,9380 10,7630 0,6120 0,3292 0,2643BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 septiembre 2010 471 10 11,9610 10,7840 0,6102 0,2797 0,0991BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 octubre 2010 471 10 11,8000 10,6360 0,6094 0,5321 0,4613BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 noviembre 2010 471 10 11,7420 10,5790 0,5962 0,2781 0,0260BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 diciembre 2010 471 10 11,8250 10,6580 0,6070 0,5731 0,1970
11,8285 10,6617 0,6080 0,4519 0,3279
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Tabla 4.3: Calidad gas natural. Datos año 2011.
Provincia Municipio Cod Municipio Mes Año Altitud (m) Temperatura (ºC) PCS (kWh/m3(N)) PCI (kWh/m3(N)) Densidad relativa N2 (%molar) CO2 (%molar)BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 enero 2011 471 10 11,7460 10,5850 0,6016 0,5428 0,1673BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 febrero 2011 471 10 11,8270 10,6600 0,6078 0,6590 0,1827BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 marzo 2011 471 10 11,7780 10,6160 0,6100 0,8775 0,3552BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 Abril 2011 471 10 11,8040 10,6420 0,6164 1,0396 0,5512BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 Mayo 2011 471 10 11,8500 10,6870 0,6209 1,8721 0,1141BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 Junio 2011 471 10 11,8880 10,7250 0,6379 1,9212 1,0005BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 Julio 2011 471 10 11,8160 10,6560 0,6271 1,4815 0,8824BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 Agosto 2011 471 10 11,7030 10,5490 0,6152 0,8786 0,9419BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 septiembre 2011 471 10 11,8050 10,6410 0,6102 0,6708 0,4022BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 octubre 2011 471 10 11,9540 10,7820 0,6237 0,9730 0,5039BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 noviembre 2011 471 10 11,9240 10,7510 0,6133 0,4285 0,3308BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 diciembre 2011 471 10 11,8080 10,6410 0,6001 0,2029 0,0769
11,8253 10,6613 0,6154 0,9623 0,4591
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Tabla 4.4: Calidad gas natural. Datos año 2012.
Provincia Municipio Mes Año Altitud (m) Temperatura (ºC) PCS (kWh/m3(N)) PCI (kWh/m3(N)) Densidad relativa N2 (%molar) CO2 (%molar)BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 enero 2012 471 10 11,7610 10,6000 0,6037 0,6570 0,1734
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 febrero 2012 471 10 11,7910 10,6270 0,6067 0,6183 0,2769BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 marzo 2012 471 10 11,7710 10,6100 0,6114 0,7193 0,5684
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 abril 2012 471 10 11,771 10,607 0,6232 0,4192 0,1473
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 mayo 2012 471 10 11,823 10,661 0,6013 0,8062 1,0594
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 junio 2012 471 10 11,78 10,623 0,6287 1,1098 1,3533
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 julio 2012 471 10 11,704 10,548 0,6102 0,7806 0,698
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 agosto 2012 471 10 12 10,82 0,6124 0,2383 0,1271
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 septiembre 2012 471 10 11,823 10,656 0,6055 0,3881 0,2349
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 octubre 2012 471 10 11,821 10,658 0,6173 0,7955 0,7037
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 noviembre 2012 471 10 11,868 10,641 0,6053 0,4376 0,2546
BURGOS MIRANDA DE EBRO 09219 diciembre 2012 471 10 11,793 10,629 0,6058 0,531 0,2724
11,8088 10,6400 0,6110 0,6251 0,4891
Cod Munici
pio
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Anexo 5 Análisis de gases
91
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CERTIFICADO: MI-MAI/11-0005 Página 7 de 11
8. RESULTADOS DEL MUESTREO
En las tablas siguientes, se incluyen los datos correspondientes a las mediciones efectuadas en los focos emisores objeto del presente estudio.
FOCO EMISOR Nº1: Fecha de medición: 31/01/2011 Denominación: Horno templado F1 Combustible: Gas natural Potencia calorífica: 516 Termias Grupo y epígrafe: GRUPO C PUNTO 3.1.1. Horno.- Marca: ECLIPSE Modelo: TJ100 Nºs de serie: 99-15180 y 99-14001
PARÁMETRO MEDIDA NUMERO
MEDIA VALORES
LIMITE Nº1 Nº2 Nº3 Nº4 Nº5 Nº6 Nº7 Nº8 Nº9 Nº10 Nº11 Nº12 Nº13 Nº14 Nº15 Nº16 Nº17 Nº18
VELOCIDAD GAS (m/s)
6,8
CAUDAL GAS (m3N/h)
789
Tª HUMOS (ºC) 566 564 560 567 566 558 577 564 600 648 585 575 610 642 575 586 644 623 589
O2 (%) 16,0 16,1 15,8 14,8 15,2 16,0 15,8 16,3 15,4 13,6 16,4 16,4 15,1 14,2 16,4 16,0 13,8 13,6 15,4
CO2 (%) 2,9 2,8 2,9 3,5 3,3 2,8 3,0 2,6 3,2 4,2 2,6 2,6 3,3 3,9 2,6 2,8 4,1 4,2 3,2
CO (ppm) 30 21 14 < 9 < 9 29 230 195 175 48 73 44 10 < 9 40 17 < 9 53 56 * 500
NOx (ppm) 23 * 19 * 20 * 26 * 23 * 14 * 25 * 30 * 33 * 37 * 22 * 21 * 30 * 32 * 21 * 22 * 34 * 35 * 26 * 300
SO2 (mg/m3N) < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 13 * 4300
Opacidad (Bacharach)
< 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 2
E. AIRE 4,1 4,2 4,1 3,4 3,6 4,2 4,0 4,6 3,8 2,9 4,6 4,1 3,6 3,1 4,6 4,2 2,9 2,9 3,8
RENDIMIENTO (%) 22,2 21,1 25,5 36,1 32,3 22,7 23,1 16,5 25,1 37,7 13,1 13,9 27,8 33,5 14,6 19,4 36,4 37,3 25,5
HORA 09:05 09:15 09:25 09:35 09:46 09:56 10:06 10:16 10:26 10:37 10:47 10.57 11:07 11:17 11:27 11:37 11:47 11:57 ---
TASA MEDIA DE EMISION HORARIA (g/h)
CO 55,2
NOx 41,8
SO2 10,3
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CERTIFICADO: MI-MAI/11-0005 Página 8 de 11
FOCO EMISOR Nº2: Fecha de medición: 31/01/2011 Denominación: Horno templado F2 Combustible: Gas natural Potencia calorífica: 516 Termias Grupo y epígrafe: GRUPO C PUNTO 3.1.1. Horno.- Marca: ECLIPSE Modelo: TJ100 Nº de serie: 99-13997 y 99-14000
PARÁMETRO MEDIDA NUMERO
MEDIA VALORES
LIMITE Nº1 Nº2 Nº3 Nº4 Nº5 Nº6 Nº7 Nº8 Nº9 Nº10 Nº11 Nº12 Nº13 Nº14 Nº15 Nº16 Nº17 Nº18
VELOCIDAD GAS (m/s)
7,0
CAUDAL GAS (m3N/h)
823
Tª HUMOS (ºC) 578 581 581 571 570 586 584 582 579 578 567 566 588 576 581 573 570 581 577
O2 (%) 11,9 13,8 14,4 15,3 14,0 15,8 13,1 14,3 15,6 14,7 14,4 13,9 14,5 14,1 15,3 14,6 13,1 14,8 14,3
CO2 (%) 5,1 4,1 3,7 3,2 4,0 2,9 4,5 3,8 3,1 3,6 3,8 4,0 3,7 3,9 3,2 3,6 4,5 3,5 3,8
CO (ppm) < 9 < 9 < 9 178 < 9 < 9 < 9 < 9 < 9 < 9 116 43 < 9 92 < 9 169 61 < 9 40 * 500
NOx (ppm) 36 * 28 * 27 * 15 * 27 * 22 * 33 * 28 * 21 * 24 * 18 * 26 * 28 * 18 * 24 * 16 * 32 * 26 * 25 * 300
SO2 (mg/m3N) < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 13 * 4300
Opacidad (Bacharach)
< 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 2
E. AIRE 2,4 2,9 3,2 3,8 3,0 4,1 2,6 3,2 3,9 3,3 3,2 3,0 3,2 3,1 3,8 3,3 2,7 3,4 3,2
RENDIMIENTO (%) 54,0 42,9 38,3 30,7 42,9 22,4 47,5 39,0 26,4 35,8 40,0 44,2 37,0 41,2 29,7 37,7 49,0 35,6 38,6
HORA 12:08 12:18 12:28 12:38 12:49 12:59 13:09 13:19 13:29 13:39 13:49 13:59 14:10 14:20 14:30 14:40 14:50 15:01 ---
TASA MEDIA DE EMISION HORARIA (g/h)
CO 41,2
NOx 42,3
SO2 10,7
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CERTIFICADO: MI-MAI/11-0005 Página 9 de 11
FOCO EMISOR Nº3: Fecha de medición: 01/02/2011 Denominación: Horno templado F3 Combustible: Gas natural Potencia calorífica: 516 Termias Grupo y epígrafe: GRUPO C PUNTO 3.1.1. Horno.- Marca: ECLIPSE Modelo: TJ100 Nº de serie: 99-13996 y 99-13999
PARÁMETRO MEDIDA NUMERO
MEDIA VALORES
LIMITE Nº1 Nº2 Nº3 Nº4 Nº5 Nº6 Nº7 Nº8 Nº9 Nº10 Nº11 Nº12 Nº13 Nº14 Nº15 Nº16 Nº17 Nº18
VELOCIDAD GAS (m/s)
7,1
CAUDAL GAS (m3N/h)
878
Tª HUMOS (ºC) 533 550 551 543 538 529 538 549 543 535 539 533 533 535 523 517 517 522 535
O2 (%) 16,0 14,4 13,5 17,1 15,1 18,2 14,9 14,6 13,2 16,9 13,8 16,5 15,3 15,0 14,7 13,4 16,3 14,9 15,2
CO2 (%) 2,9 3,7 4,3 2,2 3,4 1,6 3,5 3,6 4,4 2,4 4,1 2,6 3,2 3,4 3,6 4,3 2,7 3,4 3,3
CO (ppm) < 9 < 9 75 < 9 102 < 9 < 4 128 36 103 < 9 < 9 < 9 161 49 12 < 9 98 55 * 500
NOx (ppm) 18 * 25 * 27 15 * 20 15 * 24 * 23 * 30 * < 9 29 * 19 * 21 * 18 * < 9 31 * 19 * 19 * 20 * 300
SO2 (mg/m3N) < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 < 26 13 * 4300
Opacidad (Bacharach)
< 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 2
E. AIRE 4,1 3,2 2,8 5,5 3,5 7,5 3,4 3,3 2,7 5,0 2,9 4,6 3,8 3,5 3,3 2,8 4,4 3,5 3,9
RENDIMIENTO (%) 28,2 42,0 48,4 6,0 37,8 --- 39,9 40,4 51,3 13,4 47,6 21,0 35,7 39,1 43,1 52,6 27,0 41,0 25,1
HORA 09:07 09:17 09:27 09:37 09:47 09:58 10:08 10:18 10:28 10:38 10:48 10:58 11:09 11.19 11:29 11:40 11:50 12:00 ---
TASA MEDIA DE EMISION HORARIA (g/h)
CO 60,4
NOx 36,1
SO2 11,4
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9. OBSERVACIONES Las determinaciones de gases de combustión no pudieron dar cumplimiento al Art. 21.2 de la O.M. de 18/10/76 “En Inspecciones periódicas, los niveles de emisión (media de una hora) medidos a lo largo de ocho horas – tres medidas como mínimo- no rebasarán los máximos admisibles,….”, ajustándose los periodos de muestreo a la producción y funcionamiento habitual de los equipos inspeccionados y siguiendo lo establecido en la Instrucción Técnica de ATISAE MI 07.03.08. Para la obtención de los valores marcados con un asterisco se ha seguido lo descrito en el procedimiento MC.07.03.02, en el cual se establece la necesidad del redondeo a la mitad de todos los valores inferiores al límite de cuantificación cuando con éstos se realicen operaciones de suma y medias aritméticas. Los valores de CO y SO2 con símbolo < se encuentran por debajo del límite de cuantificación (9 ppm) de la técnica utilizada. Para la correcta expresión de los mismos y la integración de estos en un valor medio se ha seguido lo descrito por el apartado 6.2.3 del Procedimiento MC.07.03.02 “Procedimiento General de Cálculos en Muestreos en Emisiones a la Atmósfera”. Según el citado apartado, todos los valores menores al límite de cuantificación serán expresados de forma individual con el símbolo <, pero si son integrados en un único valor medio serán redondeados al valor mitad con el fin de no comprometer la declaración de conformidad. Los Valores de NOx (NO + NO2) han sido calculados según lo descrito en el apartado 6.2.3. del Procedimiento MC.07.03.02 “Procedimiento General de Cálculos en Muestreos en Emisiones a la Atmósfera” en el cual se establece la necesidad del redondeo a la mitad de todos los valores inferiores (NO2) al límite de cuantificación cuando con éstos se realicen operaciones de suma y medias aritméticas con el fin de no comprometer la declaración de conformidad.
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CERTIFICADO: MI-MAI/11-0005 Página 11 de 11
10. CONCLUSIONES
De acuerdo a la legislación vigente, expresada en el D. 833/1975 de 6 de febrero, que desarrolla la Ley de Protección de Medio Ambiente Atmosférico, el valor límite para el nivel de emisión de contaminantes atmosféricos en:
ANEXO IV, PUNTO 27 ACTIVIDADES INDUSTRIALES DIVERSAS es de:
Unidad de medida Niveles de emisión
CO p.p.m. 500 NOx p.p.m 300 SO2 mg/m3N 4300
Opacidad Bacharach 2
Según los valores obtenidos para estos parámetros, en función de las condiciones de los días de las tomas de muestras: LAS EMISIONES CONTROLADAS CUMPLEN CON LOS LIMITES ESTABLECIDOS POR LA LEGISLACION VIGENTE. PRÓXIMA INSPECCIÓN REGLAMENTARIA, SALVO CAMBIOS SIGNIFICATIVOS EN LA INSTALACIÓN: ENERO DE 2016. Nota 1- El presente certificado no deberá reproducirse total o parcialmente sin la aprobación por escrito de ATISAE. Nota 2.- Las incertidumbres de los ensayos in situ se encuentran a disposición del cliente.
Miranda de Ebro, 28 de Febrero de 2011.
ASISTENCIA TECNICA INDUSTRIAL, SAE
DIEGO BARAHONA GARCÍA INSPECTOR DPTO. DE MEDIO AMBIENTE
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Anexo 6 Cálculo de variación de entalpía en el gas
Dado que el gas natural es una mezcla de gases la variación de su entalpía
responde a la fórmula:
m gas⋅Δh gas =∑ mi⋅Δ h i ⇒ Δh gas =∑mi⋅Δh im gas
=∑ g i⋅Δ h i=
= gCH 4⋅Δh CH 4
+gC 2H 6⋅Δh C3H 8
+ gC3H 8⋅Δ h C3H 8
+gC 4H 10⋅Δh C4 H 10
+g N 2⋅Δ h N 2
+ gCO2⋅Δ h CO2
[27]
Obtenemos los datos con el software EES, y resolvemos la ecuación. A
continuación se sacan los listados de salidad del software.
97
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100
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101
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En la tabla siguiente se resumen los resultados.
Δ h gas =−4,132kJkg
102
Tabla 6.1: Valores de entalpía y fracción molar para el gas natural. [Fuente ESS]
Nombre Formula g h (10ºC) kJ/kg h (12ºC) kJ/kg
Metano 0,7595 -4683 -4678,59
Etano 0,2095 -2814,32 -2810,91
Propano 0,0095 -2398,03 -2394,85
Butano 0,0029 -2188,8 -2185,56
Dióxido de Carbono 0,0089 -8953,33 -8951,68
Nitrógeno 0,0098 -15,57 -13,49
1
CH4
C2H
6
C3H
8
C4H
10
CO2
N2
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Anexo 7 Medida de temperaturas de paredes en el horno
Para calcular las pérdidas a través de las paredes del horno hay que hacer el
mapa de temperaturas, en sus superficies, según la figura siguiente.
Para ello se divide las superficie en secciones de aproximadamente 2 m2 sobre
las que se toman nueve medidas. Dividimos los laterales en 6 partes de 2000 x 1000
mm, la parte superior las divisiones serán 6 de 2000 x 1100 mm y en la parte inferior
no se pueden tomar datos de temperaturas por lo que consideramos toda la
superficie de 6000 x 2200 mm. La división se aprecia en la figura 7.1.
La media aritmética será el valor que se usará para calcular las pérdidas en esa
sección.
La toma de medidas se realiza con un termómetro infrarrojo en el que se
selecciona la emisividad de la pared igual a ε = 0,91
103
Figura 7.1: Distribución zonas de medida temperatura.
2000 m
m
6000 mm
2200 mm
Lado ventiladores
(opuesto lado quemadores)
Bóveda
(opuesto Solera)
Lado entrada
(opuesto lado salida)
1000 m
m
2000 mm
1100 mm
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Anexo 8 Cálculo de perdidas en las paredes del horno
Con las expresiones de la sección 7.1.7.1 (pag. 38) se resuelven la ecuaciones
para cada sección de la superficie del horno. En la hoja de cálculo siguiente se
realizan los cálculos.
El total de pérdidas es 105640,75 kJ/h
104
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105
Tabla 8.1: Pérdidas en la superficie del horno.
ENTRADA Longitud (m) L
E1 1,1 1 91,6 4,1306 2107,79 325,33 2433,12
E2 1,1 1 96,5 4,1996 2306,09 353,39 2659,48
E3 1,1 1 93,4 4,1564 2179,71 335,58 2515,30
E4 1,1 1 75,2 3,8706 1499,87 235,02 1734,89
9342,78 kJ/h
SALIDA Longitud (m) L
S1 1,1 1 101,6 4,2684 2934,19 383,34 3317,54
S2 1,1 1 106,5 4,3305 3181,96 412,05 3594,01
S3 1,1 1 103,4 4,2912 3022,67 393,68 3416,34
S4 1,1 1 68,2 3,7415 1471,43 198,38 1669,81
11997,70 kJ/h
Longitud (m) L
V1 2 1 95,3 4,1830 4103,26 629,96 4733,22
V2 2 1 93,7 4,1606 3985,10 613,27 4598,37
V3 2 1 89,6 4,1015 3689,29 570,93 4260,21
V4 2 1 47,3 3,2459 1173,91 177,22 1351,13
V5 2 1 51,4 3,3614 1378,29 211,10 1589,39
V6 2 1 52,6 3,3931 1439,59 221,23 1660,82
18193,14 kJ/h
Longitud (m) L
Q1 2 1 92,1 4,1378 4499,03 596,67 5095,71
Q2 2 1 89,8 4,1044 4307,16 572,98 4880,13
Q3 2 1 90,4 4,1132 4356,86 579,14 4936,00
Q4 2 1 44,3 3,1528 1197,02 153,22 1350,24
Q5 2 1 39,5 2,9840 937,58 116,38 1053,96
Q6 2 1 42,7 3,0995 1109,22 140,72 1249,94
18565,98 kJ/h
BÓVEDA Longitud (m) L
B1 2,2 1 95,8 3,8949 4554,55 649,51 5204,06
B2 2,2 1 99,1 3,9366 4829,14 685,04 5514,18
B3 2,2 1 94,5 3,8780 4448,38 635,61 5083,99
B4 2,2 1 89,7 3,8140 4066,02 584,84 4650,86
B5 2,2 1 96,7 3,9064 4628,71 659,16 5287,87
B6 2,2 1 92,2 3,8478 4263,29 611,18 4874,47
30615,43 kJ/h
SOLERA Longitud (m) L
L1 13,2 1 70 1,5689 15890,25 1035,47 16925,72
16925,72 kJ/h
Área (m2) A
Temperatura superficial ºC
Ts
Coef. Convección
h
Perdidas radiación Q
rE
Perdidas convección
QcE
Perdidas Totales Q
E
Área (m2) A
Temperatura superficial ºC
Ts
Coef. Convección
h
Perdidas radiación Q
rS
Perdidas convección
QcS
Perdidas Totales Q
S
LADO VENTILADORES
Área (m2) A
Temperatura superficial ºC
Ts
Coef. Convección
h
Perdidas radiación Q
rV
Perdidas convección
QcV
Perdidas Totales Q
V
LADO QUEMADORES
Área (m2) A
Temperatura superficial ºC
Ts
Coef. Convección
h
Perdidas radiación
QrQ
Perdidas convección
QcQ
Perdidas Totales Q
Q
Área (m2) A
Temperatura superficial ºC
Ts
Coef. Convección
h
Perdidas radiación Q
rB
Perdidas convección
QcB
Perdidas Totales Q
B
Área (m2) A
Temperatura superficial ºC
Ts
Coef. Convección
h
Perdidas radiación Q
rL
Perdidas convección
QcL
Perdidas Totales Q
L
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Anexo 9 Resumen del balance de masa en el horno para λ =
3,64
Según los datos de los distintos materiales el balance de masa para 1 mol de
combustible queda como se resume en la tabla 9.1.
Los valores del gas se obtienen de su composición molar (tabla 4.5, pag. 21), al
igual que los del aire, y con los datos de la combustión teniendo en cuenta que
tenemos un exceso de aire 3,64.
Para hallar el agua contenida en el aire de combustión a partir de la humedad
relativa r = 67%, y de la temperatura de entrada del aire en el quemador Taire = 20ºC
obtenemos la humedad específica ω = 10,38 gr agua/kg aire seco. Por lo tanto la
cantidad de agua será:
m aguaaire = ω⋅m aire seco= 0,01038⋅(1100,31) = 11,42 kg
Los datos de los humos los obtenemos del apartado sobre la combustión del gas
natural.
106
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107
Tabla 9.1: Tabla resumen de balance de masa en el horno para λ = 3,64.
Entrada Salida
Componentes Gas Aire Total Total kg Gas Aire Combustión Total Total kg % molar
Metano 0,86 0,86 13,78
Etano 0,13 0,13 3,80
Propano 0,004 0,00 0,17
Butano 0,001 0,00 0,05
Oxigeno 7,95 7,95 254,53 5,77 5,77 184,60 14,54%
Nitrógeno 0,01 29,65 29,66 830,85 0,01 29,65 29,66 830,85 74,75%
Gases Nobles Ar 0,35 0,35 14,12 0,35 0,35 14,12 0,89%
Dióxido de Carbono 0,004 0,01 0,02 0,81 0,004 0,01 1,13 1,15 50,40 2,89%
Agua 0,63 11,42 0,63 2,12 2,75 49,56 6,93%
Suma 1,00 38,61 39,61 1129,53 0,01 36,42 3,24 39,68 1129,53 100,00%
CH4
C2H
6
C3H
8
C4H
10
O2
N2
CO2
H2O
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Anexo 10 Salida programa de cálculo ESS para balance
de energía con para λ = 3,64
108
File:Imprimir Calculo de calores.EESEES Ver. 9.440: #596: Departmento de Ingenieria Mecanica, Universidade de la Rioja
"Resolucion de calores"
"1-Datos de partida""Gas"v_gas=62,755887 [m^3/h] "(N)" "consumo de gas"PCI=38344,65 [kJ/m^3] "(N)" "PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)"T_gas=10 [C] "Temperatura entrada del gas natural"rho_gas=Ma_gas/Vo# "Densidad del metano en la entrada CN"presion_gas=6,5 [kPa] "Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores"p_gas=p_a+presion_gasMa_gas=18,1407 [kg/kmol]DELTAh_gas=-4,132[kJ/kg] "Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES"
"Ambiente"T_a=12 [C] "Temperatura ambiente media exterior"p_a=95,4959 [kPa] "Presion ambiente media exterior"
"Aire combustion"T_aire=20 [C] "Temperatura de admision de aire del quemador"p_aire=95,4959 [kPa] "Presion en al admision de aire del quemador"h_aire_ent=Enthalpy(Air;T=T_aire) "Entalpia del aire a la entrada quemador"h_aire_a=Enthalpy(Air;T=T_a) "Entalpia del aire ambiente"v_aire=2383,164 [m^3/h] "Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible"Ma_aire=28,9655 [kg/kmol]rho_aire=Ma_aire/Vo# "Densidad del aire en la entrada CN"omega=HumRat(AirH2O;T=T_aire;r=0,67;P=p_a)
"Agua refrigeracion entrada"v_agua=67 [l/min] * convert(l/min;m^3/h) "Caudal entrada de agua de refrigeracion"T_agua_ent=17,9 [C] "Temperatura entrada agua de refrigeracion"p_agua_ent=(22 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa] "Presion de entrada agua de refrigeracion"h_agua_ent=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent)rho_agua_ent=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent) "Densidad del agua a la salida"cp_agua_ent=Cp(Water;T=17,9;v=0,001)
"Agua refrigeracion salida"p_agua_sal=(21,8 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa ]"Presion salida agua de refrigeracion"T_agua_sal=22,4 [C] "Temperatura salida agua de refrigeracion"h_agua_sal=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)rho_agua_sal=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)v_agua_sal=v_aguacp_agua_sal=Cp(Water;T=22,4;v=0,001)
"Carga (Vidrio)"T_vidrio_entrada=12[C] "Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente"m_vidrio=436,112 [kg/h] "Entrada
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de vidrio horaria"c_p_vidrio=(constante0*TT^2*constante1+2*TT*constante1+constante2)/((1+constante0*TT)^2) "calor especifico vidrio - calentamiento"constante0=0,00146constante1=0,0005097303constante2=0,17412839T1=T_aT2=T_vidrio_entradaT_final_vidio=680 "Temperatura final del vidrio"T3=T_final_vidio
"Humos"T_humos=567 "Temperatura salida humos"DELTAh_humos_N2ideal=h_humos-h_humos_aDELTAh_humos=600,963 [kJ/kg]h_humos=Enthalpy(N2;T=T_humos)h_humos_a=Enthalpy(N2;T=T_a)v_humos=2490 [m^3/h] "Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)"Ma_humos=28,638rho_humos=Ma_humos/Vo#
"Infiltraciones"v_infiltraciones=10,707 [m^3/h]h_infiltraciones=Enthalpy(Air;T=T_horno)T_horno=740 [C]
"Perdidas radiacion + conveccion"Q_perdidas=105640,75 [kJ/h]
"2-Resolucion""Balance de calores"Q_combustion=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_gas*PCI "Calor de la combusion gas natural"Q_gas=v_gas*(Ma_gas/Vo#)*(DELTAh_gas) "Calor sensible combustible"Q_aire=v_aire*(Ma_aire/Vo#)*(h_aire_ent-h_aire_a) "Calor sensible aire de admision"Q_agua=v_agua*((rho_agua_sal+rho_agua_ent)/2)*(h_agua_sal-h_agua_ent) "Calor del agua de refrigeracion"Q_carga=m_vidrio*convert(cal/g;kJ/kg)*integral(c_p_vidrio;TT;T2;T3) "Calor cedido a la carga"Q_humos=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_humos*(Ma_humos/Vo#)*DELTAh_humos "Calor en los humos"Q_infiltraciones=v_infiltraciones*(Ma_aire/Vo#)*(h_infiltraciones-h_aire_ent)
(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion+Q_gas+Q_aire-Q_agua-Q_carga-(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_humos-Q_infiltraciones-Q_perdidas+Q_varios=0
"Rendimiento"eta_horno=(Q_carga/((convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion))*100
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Resolucion de calores
1-Datos de partida
Gas
vgas = 62,755887 [m3/h] (N) consumo de gas
PCI = 38344,65 [kJ/m3] (N) PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)
Tgas = 10 [C] Temperatura entrada del gas natural
ρgas = Magas
22,41 [m3/kmol]Densidad del metano en la entrada CN
presiongas = 6,5 [kPa] Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores
pgas = pa + presiongas
Magas = 18,1407 [kg/kmol]
∆hgas = – 4,132 [kJ/kg] Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES
Ambiente
Ta = 12 [C] Temperatura ambiente media exterior
pa = 95,4959 [kPa] Presion ambiente media exterior
Aire combustion
Taire = 20 [C] Temperatura de admision de aire del quemador
paire = 95,4959 [kPa] Presion en al admision de aire del quemador
haire;ent = h Air ; T = Taire Entalpia del aire a la entrada quemador
haire;a = h Air ; T = Ta Entalpia del aire ambiente
vaire = 2383,164 [m3/h] Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible
Maaire = 28,9655 [kg/kmol]
ρaire = Maaire
22,41 [m3/kmol]Densidad del aire en la entrada CN
ω = ω AIRH2O ; T = Taire ; R = 0,67 ; P = pa
Agua refrigeracion entrada
vagua = 67 [l/min] · 0,06 · m3/h
l/minCaudal entrada de agua de refrigeracion
Tagua;ent = 17,9 [C] Temperatura entrada agua de refrigeracion
pagua;ent = 22 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa] Presion de entrada agua de refrigeracion
hagua;ent = h Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent
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ρagua;ent = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent Densidad del agua a la salida
cpagua;ent = Cp water ; T = 17,9 ; v = 0,001
Agua refrigeracion salida
pagua;sal = 21,8 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa·] Presion salida agua de refrigeracion
Tagua;sal = 22,4 [C] Temperatura salida agua de refrigeracion
hagua;sal = h Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
ρagua;sal = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
vagua;sal = vagua
cpagua;sal = Cp water ; T = 22,4 ; v = 0,001
Carga (Vidrio)
Tvidrio;entrada = 12 [C] Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente
mvidrio = 436,112 [kg/h] Entrada de vidrio horaria
cp;vidrio = constante0 · TT 2 · constante1 + 2 · TT · constante1 + constante2
1 + constante0 · TT 2 calor especifico vidrio - calentamiento
constante0 = 0,00146
constante1 = 0,0005097303
constante2 = 0,17412839
T1 = T a
T2 = Tvidrio;entrada
T final;vidio = 680 Temperatura final del vidrio
T3 = Tfinal;vidio
Humos
Thumos = 567 Temperatura salida humos
∆hhumos;N2ideal = hhumos – hhumos;a
∆hhumos = 600,963 [kJ/kg]
hhumos = h N2 ; T = Thumos
hhumos;a = h N2 ; T = Ta
vhumos = 2490 [m3/h] Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)
Mahumos = 28,638
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ρhumos = Mahumos
22,41 [m3/kmol]
Infiltraciones
v infiltraciones = 10,707 [m3/h]
h infiltraciones = h Air ; T = Thorno
Thorno = 740 [C]
Perdidas radiacion + conveccion
Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]
2-Resolucion
Balance de calores
Qcombustion = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vgas · PCI Calor de la combusion gas natural
Qgas = vgas · Magas
22,41 [m3/kmol] · ∆hgas Calor sensible combustible
Qaire = vaire · Maaire
22,41 [m3/kmol] · haire;ent – haire;a Calor sensible aire de admision
Qagua = vagua · ρagua;sal + ρagua;ent
2 · hagua;sal – hagua;ent Calor del agua de refrigeracion
Qcarga = mvidrio · 4,1868 · kJ/kg
cal/g · ∫
T3
T2
cp;vidrio d TT Calor cedido a la carga
Qhumos = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vhumos ·
Mahumos
22,41 [m3/kmol] · ∆hhumos Calor en los humos
Q infiltraciones = vinfiltraciones · Maaire
22,41 [m3/kmol] · h infiltraciones – haire;ent
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion + Qgas + Qaire – Qagua – Qcarga – 1000 ·
kJ/h
MJ/h · Qhumos – Q infiltraciones
– Qperdidas + Q varios = 0
Rendimiento
η horno = Qcarga
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion
· 100
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EES Ver. 9.440: #596: Departmento de Ingenieria Mecanica, Universidade de la Rioja
SOLUTION
Unit Settings: SI C kPa kJ mass degcpagua,ent = 4,174 [kJ/kg·K]cpagua,sal = 4,168 [kJ/kg·K]
∆hgas = -4,132 [kJ/kg]
∆hhumos = 600,963 [kJ/kg]
∆hhumos,N2ideal = 596,3 [kJ/kg]
ηhorno = 13,3218 [%]
hagua,ent = 75,4183 [kJ/kg]hagua,sal = 94,2416 [kJ/kg]haire,a = 285,515177 [kJ/kg]haire,ent = 293,548882 [kJ/kg]hhumos = 582,85 [kJ/kg]hhumos,a = -13,49 [kJ/kg]hinfiltraciones = 1061,33 [kJ/kg]
mvidrio = 436,11 [kg/h]
ω = 0,01038 [kg/kg]PCI = 38345 [kJ/m3]presiongas = 6,5 [kPa]pagua,ent = 311,2414 [kPa]pagua,sal = 309,3 [kPa]Qagua = 75536,8759 [kJ/h]
Qaire = 24742,25 [kJ/h]Qcarga = 320568,86 [kJ/h]Qcombustion = 2406,35252 [MJ/h]Qgas = -209,8733 [kJ/h]
Qhumos = 1911,957124 [MJ/h]Qinfiltraciones = 10623,65 [kJ/h]Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]
Qvarios = -6557,64 [kJ/h]
ρagua,ent = 998,714 [kg/m3]
ρagua,sal = 997,776 [kg/m3]
ρaire = 1,292 [kg/m3]
ρgas = 0,8094 [kg/m3]
ρhumos = 1,278 [kg/m3]
Ta = 12 [C]Tagua,ent = 17,90 [C]Tagua,sal = 22,40 [C]Taire = 20,00 [C]Tfinal,vidio = 680 [C]
Tgas = 10 [C]Thumos = 567 [C]Tvidrio,entrada = 12 [C]vagua = 4,0200 [m3/h]vaire = 2383,1640 [m3/h]vgas = 62,7559 [m3/h]vhumos = 2490 [m3/h]
No unit problems were detected.
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Anexo 11 Resumen del balance de masas para λ = 1,15
Según los datos de los distintos materiales el balance de masa para 1 mol de
combustible queda como se resume en la tabla 11.1.
Los valores del gas se obtienen de su composición molar, al igual que los del aire
teniendo en cuenta que tenemos un exceso de aire de 1,15.
Para hallar el agua contenida en el aire de combustión a partir de la humedad
relativa r = 67%, y de la temperatura de entrada del aire en el quemador Taire = 20ºC
obtenemos la humedad específica ω = 10,38 gr agua/kg aire seco. Por lo tanto la
cantidad de agua será:
m aguaaire = ω⋅m aire seco= 0,01038⋅(347,86)= 3,61 kg
Los datos de los humos los obtenemos del apartado sobre la combustión del gas
natural.
114
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115
Tabla 11.1: Tabla resumen de balance de masa en el horno para λ = 1,15.
Entrada Salida
Componentes Gas Aire Total Total kg Gas Aire Combustión Total Total kg % molar
Metano 0,86 0,86 13,78
Etano 0,13 0,13 3,80
Propano 0,0039 0,0039 0,17
Butano 0,0009 0,0009 0,05
Oxigeno 2,51 2,51 80,41 0,33 0,33 10,49 2,47%
Nitrógeno 0,006 9,37 9,37 262,61 0,006 9,37 9,37 262,61 70,66%
Gases Nobles Ar 0,11 0,11 4,46 0,11 0,11 4,46 0,84%
Dióxido de Carbono 0,004 0,005 0,008 0,37 0,004 0,005 1,13 1,14 49,96 8,56%
Agua 0,20 0,20 3,61 0,20 2,12 2,32 41,75 17,47%
Suma 1,00 12,20 13,20 369,27 0,01 10,01 3,24 13,27 369,27 100,00%
CH4
C2H
6
C3H
8
C4H
10
O2
N2
CO2
H2O
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Anexo 12 Salida programa de cálculo ESS para balance
de energía con para λ = 1,15
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"Resolucion de calores"
"1-Datos de partida""Gas""v_gas [m^3/h] " "INCOGNITA-consumo de gas (N)"PCI=38344,65 [kJ/m^3] "(N)" "PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)"T_gas=10 [C] "Temperatura entrada del gas natural"rho_gas=Ma_gas/Vo# "Densidad del metano en la entrada CN"presion_gas=6,5 [kPa] "Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores"p_gas=p_a+presion_gasMa_gas=18,1407 [kg/kmol]DELTAh_gas=-4,132[kJ/kg] "Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES"
"Ambiente"T_a=12 [C] "Temperatura ambiente media exterior"p_a=95,4959 [kPa] "Presion ambiente media exterior"
"Aire combustion"T_aire=20 [C] "Temperatura de admision de aire del quemador"p_aire=95,4959 [kPa] "Presion en al admision de aire del quemador"h_aire_ent=Enthalpy(Air;T=T_aire) "Entalpia del aire a la entrada quemador"h_aire_a=Enthalpy(Air;T=T_a) "Entalpia del aire ambiente"v_aire=12 [m^3/m^3] "MODIFICADO-Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible"Ma_aire=28,9655 [kg/kmol]rho_aire=Ma_aire/Vo# "Densidad del aire en la entrada CN"
"Agua refrigeracion entrada"v_agua=67 [l/min] * convert(l/min;m^3/h) "Caudal entrada de agua de refrigeracion"T_agua_ent=17,9 [C] "Temperatura entrada agua de refrigeracion"p_agua_ent=(22 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa] "Presion de entrada agua de refrigeracion"h_agua_ent=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent)rho_agua_ent=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent) "Densidad del agua a la salida"cp_agua_ent=Cp(Water;T=17,9;v=0,001)
"Agua refrigeracion salida"p_agua_sal=(21,8 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa] "Presion salida agua de refrigeracion"T_agua_sal=22,4 [C] "Temperatura salida agua de refrigeracion"h_agua_sal=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)rho_agua_sal=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)v_agua_sal=v_aguacp_agua_sal=Cp(Water;T=22,4;v=0,001)
"Carga (Vidrio)"T_vidrio_entrada=12[C] "Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente"m_vidrio=436,112 [kg/h] "Entrada
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de vidrio horaria"c_p_vidrio2=(constante0*TT^2*constante1+2*TT*constante1+constante2)/((1+constante0*TT)^2) "calor especifico vidrio - calentamiento"constante0=0,00146constante1=0,0005097303constante2=0,17412839T1=T_aT2=T_vidrio_entradaT_final_vidio=680 "Temperatura final del vidrio"T3=T_final_vidio
"Humos"T_humos=567 "567Temperatura salida humos"DELTAh_humos=646,325 [kJ/kg]v_humos=13,2665 "MODIFICADO - Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)"Ma_humos=27,836rho_humos=Ma_humos/Vo#
"Infiltraciones"Q_infiltraciones=10623,65 [kJ/h]
"Perdidas radiacion + conveccion"
Q_perdidas=105640,75 [kJ/h]
"Otras perdidas"Q_varias=6557,64 [kJ/h]
"2-Resolucion""Balance de calores"
Q_combustion=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_gas*PCI "Calor de la combusion gas natural"Q_gas=v_gas*(Ma_gas/Vo#)*(DELTAh_gas) "Calor sensible combustible"Q_aire=v_aire*v_gas*(Ma_aire/Vo#)*(h_aire_ent-h_aire_a) "Calor sensible aire de admision"Q_agua=v_agua*((rho_agua_sal+rho_agua_ent)/2)*(h_agua_sal-h_agua_ent) "Calor del agua de refrigeracion"Q_carga=m_vidrio*convert(cal/g;kJ/kg)*integral(c_p_vidrio2;TT;T2;T3) "Calor cedido a la carga"Q_humos=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_humos*(Ma_humos/Vo#)*v_gas*DELTAh_humos
(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion+Q_gas+Q_aire-Q_carga-Q_agua-(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_humos-Q_infiltraciones-Q_perdidas-Q_varias=0
eta_horno=(Q_carga/((convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion))*100
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Resolucion de calores
1-Datos de partida
Gas
vgas [m3/h]
INCOGNITA-consumo de gas (N)
PCI = 38344,65 [kJ/m3] (N) PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)
Tgas = 10 [C] Temperatura entrada del gas natural
ρgas = Magas
22,41 [m3/kmol]Densidad del metano en la entrada CN
presiongas = 6,5 [kPa] Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores
pgas = pa + presiongas
Magas = 18,1407 [kg/kmol]
∆hgas = – 4,132 [kJ/kg] Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES
Ambiente
Ta = 12 [C] Temperatura ambiente media exterior
pa = 95,4959 [kPa] Presion ambiente media exterior
Aire combustion
Taire = 20 [C] Temperatura de admision de aire del quemador
paire = 95,4959 [kPa] Presion en al admision de aire del quemador
haire;ent = h Air ; T = Taire Entalpia del aire a la entrada quemador
haire;a = h Air ; T = Ta Entalpia del aire ambiente
vaire = 12 [m3/m3] MODIFICADO-Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible
Maaire = 28,9655 [kg/kmol]
ρaire = Maaire
22,41 [m3/kmol]Densidad del aire en la entrada CN
Agua refrigeracion entrada
vagua = 67 [l/min] · 0,06 · m3/h
l/minCaudal entrada de agua de refrigeracion
Tagua;ent = 17,9 [C] Temperatura entrada agua de refrigeracion
pagua;ent = 22 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa] Presion de entrada agua de refrigeracion
hagua;ent = h Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent
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ρagua;ent = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent Densidad del agua a la salida
cpagua;ent = Cp water ; T = 17,9 ; v = 0,001
Agua refrigeracion salida
pagua;sal = 21,8 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa] Presion salida agua de refrigeracion
Tagua;sal = 22,4 [C] Temperatura salida agua de refrigeracion
hagua;sal = h Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
ρagua;sal = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
vagua;sal = vagua
cpagua;sal = Cp water ; T = 22,4 ; v = 0,001
Carga (Vidrio)
Tvidrio;entrada = 12 [C] Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente
mvidrio = 436,112 [kg/h] Entrada de vidrio horaria
cp;vidrio2 = constante0 · TT 2 · constante1 + 2 · TT · constante1 + constante2
1 + constante0 · TT 2 calor especifico vidrio - calentamiento
constante0 = 0,00146
constante1 = 0,0005097303
constante2 = 0,17412839
T1 = T a
T2 = Tvidrio;entrada
T final;vidio = 680 Temperatura final del vidrio
T3 = Tfinal;vidio
Humos
Thumos = 567 567Temperatura salida humos
∆hhumos = 646,325 [kJ/kg]
vhumos = 13,2665 MODIFICADO - Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)
Mahumos = 27,836
ρhumos = Mahumos
22,41 [m3/kmol]
Infiltraciones
Q infiltraciones = 10623,65 [kJ/h]
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120
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Perdidas radiacion + conveccion
Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]
Otras perdidas
Qvarias = 6557,64 [kJ/h]
2-Resolucion
Balance de calores
Qcombustion = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vgas · PCI Calor de la combusion gas natural
Qgas = vgas · Magas
22,41 [m3/kmol] · ∆hgas Calor sensible combustible
Qaire = vaire · vgas · Maaire
22,41 [m3/kmol] · haire;ent – haire;a Calor sensible aire de admision
Qagua = vagua · ρagua;sal + ρagua;ent
2 · hagua;sal – hagua;ent Calor del agua de refrigeracion
Qcarga = mvidrio · 4,1868 · kJ/kg
cal/g · ∫
T3
T2
cp;vidrio2 d TT Calor cedido a la carga
Qhumos = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vhumos ·
Mahumos
22,41 [m3/kmol] · vgas · ∆hhumos
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion + Qgas + Qaire – Qcarga – Qagua – 1000 ·
kJ/h
MJ/h · Qhumos – Q infiltraciones
– Qperdidas – Qvarias = 0
η horno = Qcarga
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion
· 100
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121
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SOLUTION
Unit Settings: SI C kPa kJ mass degcpagua,ent = 4,174 [kJ/kg·K]cpagua,sal = 4,168 [kJ/kg·K]
∆hgas = -4,132 [kJ/kg]
∆hhumos = 646,325 [kJ/kg]
ηhorno = 44,81 [%]hagua,ent = 75,4183 [kJ/kg]
hagua,sal = 94,2416 [kJ/kg]haire,a = 285,515177 [kJ/kg]haire,ent = 293,548882 [kJ/kg]mvidrio = 436,11 [kg/h]PCI = 38345 [kJ/m3]presiongas = 6,5 [kPa]pagua,ent = 311,2414 [kPa]
pagua,sal = 309,3 [kPa]Qagua = 75536,8759 [kJ/h]Qaire = 2324,1407 [kJ/h]Qcarga = 320568,8582 [kJ/h]Qcombustion = 715,3205374 [MJ/h]
Qgas = -62,3877 [kJ/h]Qhumos = 198,654516 [MJ/h]
Qinfiltraciones = 10623,65 [kJ/h]Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]Qvarias = 6557,6400 [kJ/h]
ρagua,ent = 998,714 [kg/m3]
ρagua,sal = 997,776 [kg/m3]
ρaire = 1,292 [kg/m3]
ρgas = 0,8094 [kg/m3]
ρhumos = 1,242 [kg/m3]Ta = 12 [C]Tagua,ent = 17,90 [C]Tagua,sal = 22,40 [C]
Taire = 20,00 [C]Tfinal,vidio = 680 [C]Tgas = 10 [C]Thumos = 567 [C]Tvidrio,entrada = 12 [C]vagua = 4,0200 [m3/h]vaire = 12,0000 [m3/m3]
vgas = 18,6550 [m3/h]vgas = 18,6550 [m3/h]vhumos = 13,27 [m3/m3]
No unit problems were detected.
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Anexo 13 Salida programa de cálculo ESS para balance
de energía con para λ = 1,15 y precalentamiento de aire a
150º C
122
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"Resolucion de calores"
"1-Datos de partida""Gas""v_gas [m^3/h] " "INCOGNITA-consumo de gas (N)"PCI=38344,65 [kJ/m^3] "(N)" "PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)"T_gas=10 [C] "Temperatura entrada del gas natural"c_p_gas=Cp(Methane;T=T_gas;P=p_gas) "Calor especifico gas natural a la entrada quemador"rho_gas=Ma_gas/Vo# "Densidad del metano en la entrada CN"presion_gas=6,5 [kPa] "Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores"p_gas=p_a+presion_gasMa_gas=18,1407 [kg/kmol]DELTAh_gas=-4,132[kJ/kg] "Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES"
"Ambiente"T_a=12 [C] "Temperatura ambiente media exterior"p_a=95,4959 [kPa] "Presion ambiente media exterior"
"Aire combustion"T_f1=T_aT_f2=150 [C] "Temperatura de admision de aire del quemador"p_aire=95,4959 [kPa] "Presion en al admision de aire del quemador"h_f2=Enthalpy(Air;T=T_f2) "Entalpia del aire a la entrada quemador"h_f1=Enthalpy(Air;T=T_f1) "Entalpia del aire ambiente"v_aire=12 [m^3/m^3] "MODIFICADO-Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible"Ma_aire=28,9655 [kg/kmol]rho_aire=Ma_aire/Vo# "Densidad del aire en la entrada CN"
"Agua refrigeracion entrada"v_agua=67 [l/min] * convert(l/min;m^3/h) "Caudal entrada de agua de refrigeracion"T_agua_ent=17,9 [C] "Temperatura entrada agua de refrigeracion"p_agua_ent=(22 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa] "Presion de entrada agua de refrigeracion"h_agua_ent=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent)rho_agua_ent=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent) "Densidad del agua a la salida"cp_agua_ent=Cp(Water;T=17,9;v=0,001)
"Agua refrigeracion salida"p_agua_sal=(21,8 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa] "Presion salida agua de refrigeracion"T_agua_sal=22,4 [C] "Temperatura salida agua de refrigeracion"h_agua_sal=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)rho_agua_sal=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)v_agua_sal=v_aguacp_agua_sal=Cp(Water;T=22,4;v=0,001)
"Carga (Vidrio)"
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123
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T_vidrio_entrada=12[C] "Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente"m_vidrio=436,112 [kg/h] "Entrada de vidrio horaria"c_p_vidrio=(constante0*TT^2*constante1+2*TT*constante1+constante2)/((1+constante0*TT)^2) "calor especifico vidrio - calentamiento"constante0=0,00146constante1=0,0005097303constante2=0,17412839T1=T_aT2=T_vidrio_entradaT_final_vidio=680 "Temperatura final del vidrio"T3=T_final_vidio
"Humos"T_humos=567 "567Temperatura salida humos"DELTAh_c1_2=318,16 [kJ/kg]v_humos=13,2665 "MODIFICADO - Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)"Ma_humos=27,836rho_humos=Ma_humos/Vo#
"Infiltraciones"Q_infiltraciones=10623,65 [kJ/h]
"Perdidas radiacion + conveccion""Q_perdidas=0,0609*(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion"Q_perdidas=105640,75 [kJ/h]
"Otras perdidas"Q_varias=6557,64 [kJ/h]
"Balance de calores"
Q_combustion=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_gas*PCI "Calor de la combusion gas natural"Q_gas=v_gas*(Ma_gas/Vo#)*(DELTAh_gas) "Calor sensible combustible"Q_aire=v_aire*v_gas*(Ma_aire/Vo#)*(h_f2-h_f1) "Calor sensible aire de admision"Q_agua=v_agua*((rho_agua_sal+rho_agua_ent)/2)*(h_agua_sal-h_agua_ent) "Calor del agua de refrigeracion"Q_carga=m_vidrio*convert(cal/g;kJ/kg)*integral(c_p_vidrio;TT;T2;T3) "Calor cedido a la carga"Q_humos=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_humos*(Ma_humos/Vo#)*v_gas*DELTAh_c1_2
(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion+Q_gas+Q_aire-Q_agua-Q_carga-(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_humos-Q_infiltraciones-Q_perdidas-Q_varias=0
eta_horno=(Q_carga/((convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion))*100
Resolucion de calores
1-Datos de partida
Gas
vgas [m3/h]
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124
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INCOGNITA-consumo de gas (N)
PCI = 38344,65 [kJ/m3] (N) PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)
Tgas = 10 [C] Temperatura entrada del gas natural
cp;gas = Cp Methane ; T = Tgas ; P = pgas Calor especifico gas natural a la entrada quemador
ρgas = Magas
22,41 [m3/kmol]Densidad del metano en la entrada CN
presiongas = 6,5 [kPa] Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores
pgas = pa + presiongas
Magas = 18,1407 [kg/kmol]
∆hgas = – 4,132 [kJ/kg] Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES
Ambiente
Ta = 12 [C] Temperatura ambiente media exterior
pa = 95,4959 [kPa] Presion ambiente media exterior
Aire combustion
T f1 = Ta
T f2 = 150 [C] Temperatura de admision de aire del quemador
paire = 95,4959 [kPa] Presion en al admision de aire del quemador
h f2 = h Air ; T = Tf2 Entalpia del aire a la entrada quemador
h f1 = h Air ; T = Tf1 Entalpia del aire ambiente
vaire = 12 [m3/m3] MODIFICADO-Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible
Maaire = 28,9655 [kg/kmol]
ρaire = Maaire
22,41 [m3/kmol]Densidad del aire en la entrada CN
Agua refrigeracion entrada
vagua = 67 [l/min] · 0,06 · m3/h
l/minCaudal entrada de agua de refrigeracion
Tagua;ent = 17,9 [C] Temperatura entrada agua de refrigeracion
pagua;ent = 22 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa] Presion de entrada agua de refrigeracion
hagua;ent = h Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent
ρagua;ent = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent Densidad del agua a la salida
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125
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cpagua;ent = Cp water ; T = 17,9 ; v = 0,001
Agua refrigeracion salida
pagua;sal = 21,8 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa] Presion salida agua de refrigeracion
Tagua;sal = 22,4 [C] Temperatura salida agua de refrigeracion
hagua;sal = h Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
ρagua;sal = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
vagua;sal = vagua
cpagua;sal = Cp water ; T = 22,4 ; v = 0,001
Carga (Vidrio)
Tvidrio;entrada = 12 [C] Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente
mvidrio = 436,112 [kg/h] Entrada de vidrio horaria
cp;vidrio = constante0 · TT 2 · constante1 + 2 · TT · constante1 + constante2
1 + constante0 · TT 2 calor especifico vidrio - calentamiento
constante0 = 0,00146
constante1 = 0,0005097303
constante2 = 0,17412839
T1 = T a
T2 = Tvidrio;entrada
T final;vidio = 680 Temperatura final del vidrio
T3 = Tfinal;vidio
Humos
Thumos = 567 567Temperatura salida humos
∆hc1;2 = 318,16 [kJ/kg]
vhumos = 13,2665 MODIFICADO - Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)
Mahumos = 27,836
ρhumos = Mahumos
22,41 [m3/kmol]
Infiltraciones
Q infiltraciones = 10623,65 [kJ/h]
Perdidas radiacion + conveccion
Qperdidas=0,0609*(convert(MJ/h;kJ/h))*Qcombustion
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126
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EES Ver. 9.440: #596: Departmento de Ingenieria Mecanica, Universidade de la Rioja
Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]
Otras perdidas
Qvarias = 6557,64 [kJ/h]
Balance de calores
Qcombustion = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vgas · PCI Calor de la combusion gas natural
Qgas = vgas · Magas
22,41 [m3/kmol] · ∆hgas Calor sensible combustible
Qaire = vaire · vgas · Maaire
22,41 [m3/kmol] · h f2 – h f1 Calor sensible aire de admision
Qagua = vagua · ρagua;sal + ρagua;ent
2 · hagua;sal – hagua;ent Calor del agua de refrigeracion
Qcarga = mvidrio · 4,1868 · kJ/kg
cal/g · ∫
T3
T2
cp;vidrio d TT Calor cedido a la carga
Qhumos = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vhumos ·
Mahumos
22,41 [m3/kmol] · vgas · ∆hc1;2
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion + Qgas + Q aire – Qagua – Qcarga – 1000 ·
kJ/h
MJ/h · Qhumos – Q infiltraciones
– Qperdidas – Qvarias = 0
η horno = Qcarga
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion
· 100
SOLUTION
Unit Settings: SI C kPa kJ mass degcpagua,ent = 4,174 [kJ/kg·K]
cpagua,sal = 4,168 [kJ/kg·K]cp,gas = 2,2 [kJ/kg·K]
∆hc1,2 = 318,160 [kJ/kg]
∆hgas = -4,132 [kJ/kg]
ηhorno = 56,8 [%]
hagua,ent = 75,4183 [kJ/kg]hagua,sal = 94,2416 [kJ/kg]
hf1 = 285,515177 [kJ/kg]hf2 = 424,756739 [kJ/kg]mvidrio = 436,11 [kg/h]
PCI = 38345 [kJ/m3]presiongas = 6,5 [kPa]
pagua,ent = 311,2414 [kPa]
pagua,sal = 309,3 [kPa]Qagua = 75536,8759 [kJ/h]Qaire = 31780,5159 [kJ/h]
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127
File:Imprimir Calculo de calores m=recuperador.EES
EES Ver. 9.440: #596: Departmento de Ingenieria Mecanica, Universidade de la Rioja
Qcarga = 320568,8582 [kJ/h]Qcombustion = 564,3469437 [MJ/h]
Qgas = -49,2203 [kJ/h]Qhumos = 77,15047 [MJ/h]Qinfiltraciones = 10623,65 [kJ/h]Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]Qvarias = 6557,6400 [kJ/h]
ρagua,ent = 998,714 [kg/m3]
ρagua,sal = 997,776 [kg/m3]
ρaire = 1,292 [kg/m3]
ρgas = 0,8094 [kg/m3]
ρhumos = 1,242 [kg/m3]Ta = 12 [C]Tagua,ent = 17,90 [C]
Tagua,sal = 22,40 [C]Tf1 = 12 [C]Tf2 = 150 [C]Tfinal,vidio = 680 [C]Tgas = 10 [C]Thumos = 567 [C]
Tvidrio,entrada = 12 [C]vagua = 4,0200 [m3/h]vaire = 12,0000 [m3/m3]vgas = 14,7177 [m3/h]vgas = 14,7177 [m3/h]vhumos = 13,27 [m3/m3]
No unit problems were detected.
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Anexo 14 Salida programa de cálculo ESS para balance
de energía con para λ = 1,15 y precalentamiento de aire a
345º C
128
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"Resolucion de calores"
"1-Datos de partida""Gas""v_gas [m^3/h] " "INCOGNITA-consumo de gas (N)"PCI=38344,65 [kJ/m^3] "(N)" "PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)"T_gas=10 [C] "Temperatura entrada del gas natural"c_p_gas=Cp(Methane;T=T_gas;P=p_gas) "Calor especifico gas natural a la entrada quemador"rho_gas=Ma_gas/Vo# "Densidad del metano en la entrada CN"presion_gas=6,5 [kPa] "Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores"p_gas=p_a+presion_gasMa_gas=18,1407 [kg/kmol]DELTAh_gas=-4,132[kJ/kg] "Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES"
"Ambiente"T_a=12 [C] "Temperatura ambiente media exterior"p_a=95,4959 [kPa] "Presion ambiente media exterior"
"Aire combustion"T_f1=T_aT_f2=345 [C] "Temperatura de admision de aire del quemador"p_aire=95,4959 [kPa] "Presion en al admision de aire del quemador"h_f2=Enthalpy(Air;T=T_f2) "Entalpia del aire a la entrada quemador"h_f1=Enthalpy(Air;T=T_f1) "Entalpia del aire ambiente"v_aire=12 [m^3/m^3] "MODIFICADO-Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible"Ma_aire=28,9655 [kg/kmol]rho_aire=Ma_aire/Vo# "Densidad del aire en la entrada CN"
"Agua refrigeracion entrada"v_agua=67 [l/min] * convert(l/min;m^3/h) "Caudal entrada de agua de refrigeracion"T_agua_ent=17,9 [C] "Temperatura entrada agua de refrigeracion"p_agua_ent=(22 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa] "Presion de entrada agua de refrigeracion"h_agua_ent=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent)rho_agua_ent=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_ent;P=p_agua_ent) "Densidad del agua a la salida"cp_agua_ent=Cp(Water;T=17,9;v=0,001)
"Agua refrigeracion salida"p_agua_sal=(21,8 [mH2O] * convert(mH2O;kPa))+95,4959 [kPa] "Presion salida agua de refrigeracion"T_agua_sal=22,4 [C] "Temperatura salida agua de refrigeracion"h_agua_sal=Enthalpy(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)rho_agua_sal=Density(Steam_IAPWS;T=T_agua_sal;P=p_agua_sal)v_agua_sal=v_aguacp_agua_sal=Cp(Water;T=22,4;v=0,001)
"Carga (Vidrio)"
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129
File:Imprimir Calculo de calores m=recuperador+quemad.EESEES Ver. 9.440: #596: Departmento de Ingenieria Mecanica, Universidade de la Rioja
T_vidrio_entrada=12[C] "Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente"m_vidrio=436,112 [kg/h] "Entrada de vidrio horaria"c_p_vidrio=(constante0*TT^2*constante1+2*TT*constante1+constante2)/((1+constante0*TT)^2) "calor especifico vidrio - calentamiento"constante0=0,00146constante1=0,0005097303constante2=0,17412839T1=T_aT2=T_vidrio_entradaT_final_vidio=680 "Temperatura final del vidrio"T3=T_final_vidio
"Humos"T_humos=567 "567Temperatura salida humos"DELTAh_c1_2=152,89 [kJ/kg]v_humos=13,2665 "MODIFICADO - Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)"Ma_humos=27,836rho_humos=Ma_humos/Vo#
"Infiltraciones"Q_infiltraciones=10623,65 [kJ/h]
"Perdidas radiacion + conveccion""Q_perdidas=0,0609*(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion"Q_perdidas=105640,75 [kJ/h]
"Otras perdidas"Q_varias=6557,64 [kJ/h]
"Balance de calores"
Q_combustion=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_gas*PCI "Calor de la combusion gas natural"Q_gas=v_gas*(Ma_gas/Vo#)*(DELTAh_gas) "Calor sensible combustible"Q_aire=v_aire*v_gas*(Ma_aire/Vo#)*(h_f2-h_f1) "Calor sensible aire de admision"Q_agua=v_agua*((rho_agua_sal+rho_agua_ent)/2)*(h_agua_sal-h_agua_ent) "Calor del agua de refrigeracion"Q_carga=m_vidrio*convert(cal/g;kJ/kg)*integral(c_p_vidrio;TT;T2;T3) "Calor cedido a la carga"Q_humos=(convert(kJ/h;MJ/h))*v_humos*(Ma_humos/Vo#)*v_gas*DELTAh_c1_2
(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion+Q_gas+Q_aire-Q_agua-Q_carga-(convert(MJ/h;kJ/h))*Q_humos-Q_infiltraciones-Q_perdidas-Q_varias=0
eta_horno=(Q_carga/((convert(MJ/h;kJ/h))*Q_combustion))*100
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Resolucion de calores
1-Datos de partida
Gas
vgas [m3/h]
INCOGNITA-consumo de gas (N)
PCI = 38344,65 [kJ/m3] (N) PCI del gas natural (fuente tabla calidad Enagas)
Tgas = 10 [C] Temperatura entrada del gas natural
cp;gas = Cp Methane ; T = Tgas ; P = pgas Calor especifico gas natural a la entrada quemador
ρgas = Magas
22,41 [m3/kmol]Densidad del metano en la entrada CN
presiongas = 6,5 [kPa] Presion manometrica del gas natural en el entrada de quemadores
pgas = pa + presiongas
Magas = 18,1407 [kg/kmol]
∆hgas = – 4,132 [kJ/kg] Variacion de entalpia entre 10 y 12 ºC - calculado aparte EES
Ambiente
Ta = 12 [C] Temperatura ambiente media exterior
pa = 95,4959 [kPa] Presion ambiente media exterior
Aire combustion
T f1 = Ta
T f2 = 345 [C] Temperatura de admision de aire del quemador
paire = 95,4959 [kPa] Presion en al admision de aire del quemador
h f2 = h Air ; T = Tf2 Entalpia del aire a la entrada quemador
h f1 = h Air ; T = Tf1 Entalpia del aire ambiente
vaire = 12 [m3/m3] MODIFICADO-Volumen (N) de aire por m3(N) de combustible
Maaire = 28,9655 [kg/kmol]
ρaire = Maaire
22,41 [m3/kmol]Densidad del aire en la entrada CN
Agua refrigeracion entrada
vagua = 67 [l/min] · 0,06 · m3/h
l/minCaudal entrada de agua de refrigeracion
Tagua;ent = 17,9 [C] Temperatura entrada agua de refrigeracion
Juan José de Pablo Reina Ingeniería Técnica Industrial en MecánicaAuditoria energética de un horno para templado de piezas de vidrio
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pagua;ent = 22 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa] Presion de entrada agua de refrigeracion
hagua;ent = h Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent
ρagua;ent = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;ent ; P = pagua;ent Densidad del agua a la salida
cpagua;ent = Cp water ; T = 17,9 ; v = 0,001
Agua refrigeracion salida
pagua;sal = 21,8 [mH2O] · 9,806614 · kPa
mH2O + 95,4959 [kPa] Presion salida agua de refrigeracion
Tagua;sal = 22,4 [C] Temperatura salida agua de refrigeracion
hagua;sal = h Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
ρagua;sal = ρ Steam IAPWS ; T = Tagua;sal ; P = pagua;sal
vagua;sal = vagua
cpagua;sal = Cp water ; T = 22,4 ; v = 0,001
Carga (Vidrio)
Tvidrio;entrada = 12 [C] Temperatura del vidrio en la entrada= ambiente
mvidrio = 436,112 [kg/h] Entrada de vidrio horaria
cp;vidrio = constante0 · TT 2 · constante1 + 2 · TT · constante1 + constante2
1 + constante0 · TT 2 calor especifico vidrio - calentamiento
constante0 = 0,00146
constante1 = 0,0005097303
constante2 = 0,17412839
T1 = T a
T2 = Tvidrio;entrada
T final;vidio = 680 Temperatura final del vidrio
T3 = Tfinal;vidio
Humos
Thumos = 567 567Temperatura salida humos
∆hc1;2 = 152,89 [kJ/kg]
vhumos = 13,2665 MODIFICADO - Volumen de humos (N) por m3 de gas (N)
Mahumos = 27,836
ρhumos = Mahumos
22,41 [m3/kmol]
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Infiltraciones
Q infiltraciones = 10623,65 [kJ/h]
Perdidas radiacion + conveccion
Qperdidas=0,0609*(convert(MJ/h;kJ/h))*Qcombustion
Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]
Otras perdidas
Qvarias = 6557,64 [kJ/h]
Balance de calores
Qcombustion = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vgas · PCI Calor de la combusion gas natural
Qgas = vgas · Magas
22,41 [m3/kmol] · ∆hgas Calor sensible combustible
Qaire = vaire · vgas · Maaire
22,41 [m3/kmol] · h f2 – h f1 Calor sensible aire de admision
Qagua = vagua · ρagua;sal + ρagua;ent
2 · hagua;sal – hagua;ent Calor del agua de refrigeracion
Qcarga = mvidrio · 4,1868 · kJ/kg
cal/g · ∫
T3
T2
cp;vidrio d TT Calor cedido a la carga
Qhumos = 0,001 · MJ/h
kJ/h · vhumos ·
Mahumos
22,41 [m3/kmol] · vgas · ∆hc1;2
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion + Qgas + Qaire – Qagua – Qcarga – 1000 ·
kJ/h
MJ/h · Qhumos – Q infiltraciones
– Qperdidas – Qvarias = 0
η horno = Qcarga
1000 · kJ/h
MJ/h · Qcombustion
· 100
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SOLUTION
Unit Settings: SI C kPa kJ mass degcpagua,ent = 4,174 [kJ/kg·K]cpagua,sal = 4,168 [kJ/kg·K]cp,gas = 2,2 [kJ/kg·K]
∆hc1,2 = 152,890 [kJ/kg]
∆hgas = -4,132 [kJ/kg]
ηhorno = 66,23 [%]hagua,ent = 75,4183 [kJ/kg]hagua,sal = 94,2416 [kJ/kg]hf1 = 285,515177 [kJ/kg]hf2 = 626,420192 [kJ/kg]mvidrio = 436,11 [kg/h]PCI = 38345 [kJ/m3]
presiongas = 6,5 [kPa]pagua,ent = 311,2414 [kPa]pagua,sal = 309,3 [kPa]Qagua = 75536,8759 [kJ/h]
Qaire = 66735,0858 [kJ/h]Qcarga = 320568,8582 [kJ/h]
Qcombustion = 484,0329787 [MJ/h]Qgas = -42,2156 [kJ/h]Qhumos = 31,79807 [MJ/h]Qinfiltraciones = 10623,65 [kJ/h]Qperdidas = 105640,75 [kJ/h]
Qvarias = 6557,6400 [kJ/h]
ρagua,ent = 998,714 [kg/m3]
ρagua,sal = 997,776 [kg/m3]
ρaire = 1,292 [kg/m3]
ρgas = 0,8094 [kg/m3]
ρhumos = 1,242 [kg/m3]Ta = 12 [C]
Tagua,ent = 17,90 [C]Tagua,sal = 22,40 [C]Tf1 = 12 [C]Tf2 = 345 [C]Tfinal,vidio = 680 [C]Tgas = 10 [C]
Thumos = 567 [C]Tvidrio,entrada = 12 [C]vagua = 4,0200 [m3/h]vaire = 12,0000 [m3/m3]vgas = 12,6232 [m3/h]vgas = 12,6232 [m3/h]vhumos = 13,27 [m3/m3]
No unit problems were detected.
PLANOS
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Plano1. Esquema general del horno
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PRESUPUESTO
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Plano2. Presupuesto orientativo para el ajuste de los
quemadores
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Ud Unidades precio unitario Total
h 32 89 2.848,00 €
unidad 1 89 89,00 €Desplazamiento, manutencion unidad 2 125 250,00 €
PRESUPUESTO TOTAL 3.187,00 €
Ajuste de 6 quemadores Thermjet TJ100- incluido análisis continuo de gases por 2 técnicos durante 2 días
revisión del ajuste al mes por un técnico durante 1 dia.
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Plano3. Presupuesto orientativo para la instalacion de un
intercambiador de calor
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Ud Unidades precio unitario TotalUnidad de ventilador centrifugo de impulsion unidad 1 450 450,00 €
Unidad de intercambiador de calor unidad 1 8650 8.650,00 €
ml 8 17 136,00 €Instalacion y pruebas h 27 46 1.242,00 €
Material auxiliar (plataforma elevadora y grua) h 37 55 2.035,00 €Costes indirectos unidad 1 1000 1.000,00 €
PRESUPUESTO TOTAL 13.513,00 €
Conducto de chapa aislado de seccion rectangular incluido anclajes y juntas
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Plano4. Presupuesto orientativo para la instalación de un
intercambiador y cambio de quemadores
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Ud Unidades precio unitario TotalUnidad de ventilador centrifugo de impulsion unidad 1 450 450,00 €
Unidad de intercambiador de calor unidad 1 9580 9.580,00 €
ml 8 17 136,00 €Quemador Thermjet TJPCA100 unidad 6 28550 171.300,00 €
Instalacion y pruebas h 55 46 2.530,00 €Material auxiliar h 58 55 3.190,00 €
Costes indirectos unidad 1 1000 1.000,00 €PRESUPUESTO TOTAL 188.186,00 €
Conducto de chapa aislado de seccion rectangular incluido anclajes y juntas
