(6ª PARTE de Modelización de sistemas energéticos en detalle)
El modelo energético de una caldera
Ver 5ª PARTE
Los modelos
dinámicos de una caldera describen el comportamiento transitorio del equipo. En
consecuencia, estos modelos necesitan capturar con exactitud datos del proceso
de combustión y el intercambio de energía que ocurre en el interior de la
cámara de combustión. Estos modelos solamente se consideran en los casos más
complejos.
Aunque todas las variables principales de una caldera pueden variar con las condiciones de carga y ambientales, asumiendo condiciones de estado estacionario durante los momentos en los que el quemador está encendido y apagado da como resultado una relación entre las variables de entrada y salida que son mucho más simples que las de los modelos dinámicos. La evaluación de modelos contra mediciones actuales muestra que el modelo en estado estacionario puede ser suficientemente exacto como para calcular la energía sobre periodos relativamente largos (ej. semanas o meses) con respecto a la exactitud de la medición.
En la modelización del estado estacionario,
se asume que, durante la operación continua, la caldera puede ser desagregado
en una cámara de combustión adiabática y dos intercambiadores de calor.
· Cámara de
combustión (CC): Chorro de aire y combustible a la entrada, y gas de
combustión a la salida.
· Primer
intercambiador de calor (HEX1): Salida del gas de combustión y
chorro del agua de alimentación.
· Segundo
intercambiador de calor (HEX2): Chorro de agua caliente y un fluido
representando el medio ambiente.
El modelo de la caldera se
caracteriza por tres parámetros, que representen los siguientes coeficientes de
transferencia de calor:
·
UAge:
Entre el gas de los hymos y el medio ambiente en CC,
·
UAge:
Entre el gas de los humos y el agua en HEX1
·
UAwe:
Entre el agua y el ambiente en HEX2
Modelo
de la cámara de combustión
La descripción matemática de este
modelo permite calcular el caudal del
gas de los humos y entalpía hfg,in1 (en J/kgfg) en la
entrada del intercambiador de calor agua/gas de los humos (HEX1). La siguiente
relación empírica se usa para ajustar el valor de este coeficiente al caudal
del gas.
Donde:
hfg,in1 = Función conocida de composición de los
productos de la combustión y la temperatura del gas de los humos en la entrada
del intercambiador de calor del gas/agua, J/kgfg
hfg,in = Entalpía del gas a la salida del intercambiador
agua/gas, J/kgf
Caudal másico del gas de los
humos asociado con el valor especificado del producto de coeficiente/área de
transferencia de calor gas/agua.
Modelo de intercambiador de calor agua-gas de los humos
Donde:
Para un intercambiador de
contraflujo,
Donde:
La temperatura del gas de los
humos dejando HEX1 (Tfg,out)
puede calcularse de:
Otras necesidades
también serán calculadas. En HEX1, el calor se transfiere del gas de los humos
calientes al agua
De donde la temperatura
del agua dejando HEX1 y entrando HEX2 es:
Modelo de intercambiador de calor en ambiente agua
Donde:
Luego la temperatura
del agua a la salida del HEX2 es:
Consecuentemente, la pérdida de
calor del agua caliente en HEX2 es
El calor útil proporcionado al chorro de agua es
Finalmente, la eficiencia de la
caldera viene dada por
Donde FLHV es el valor calorífico
inferior. Los resultados principales de este modelo son:
· Producción útil
de la caldera: La temperatura del agua a la salida (se compararía
con el punto de ajuste), o la potencia útil correspondiente (ej. tasa neta de
transferencia de calor qb
por el agua caliente).
· Su consumo
energético: Caudal del combustible del quemador mf o eficiencia correspondiente
η.
La producción del modelo
secundario incluye
· Temperatura del gas de los humos, calor
específico, y caudal de entalpía correspondiente en la chimenea.
· Pérdida ambiental qwe en la sala de caldera.
Modelos de enfriamiento por compresión de vapor
Los componentes de una enfriadora
incluyen dos intercambiadores de calor, una válvula de expansión, y un
compresor con un motor y transmisión. Los componentes de una enfriadora están
unidos por el refrigerante. Para estimar la energía, una aproximación simplificada
es suficiente para representar el refrigerante como un fluido perfecto con
valores apropiados de fricción. Es decir, el líquido es modelado como
incompresible, y las propiedades del vapor son descritas por las leyes de los
gases ideales con valores promedio efectivos de parámetros de la propiedad,
tales como el calor específico.
Modelando
evaporador y condensador. Ambos condensadores y evaporadores son
modelados como intercambiadores de calor clásicos. Los dos intercambiadores de
calor se asume tienen un coeficiente de calor constante. Adicionalmente, los
modelos usados en los sistemas de enfriadoras sufren de una asunción adicional:
el fluido refrigerante se asume es isotérmico para ambos intercambiadores de
calor, lo cual efectivamente ignora las regiones de sobrecalentamiento y
enfriamiento del intercambiador de calor. Esta asunción de un refrigerante
isotérmico es particularmente crudo para el condensador, donde llegan
temperaturas muy altas del refrigerante desde la descarga del compresor; así,
la diferencia de temperatura media entre refrigerante y agua en el
intercambiador de calor queda significativamente desestimada. Afortunadamente,
este error sistemático es compensado por una sobreestimación del coeficiente de
transferencia de calor correspondiente.
Modelando
el compresor general. La modelación de compresores requiere una
descripción de muchas pérdidas termodinámicas (ej. pérdidas de calor, fricción
de fluidos, pérdidas de estrangulamiento en válvulas, ineficiencias de
transmisión y motor) dentro del compresor, pro otros son demasiado complejos o
desconocidos para describir en un modelo para el cálculo de energía.
El compresor se describe por dos
elementos internos distintos: un compresor interno idealizado y un elemento de
transmisión que tenga en cuenta pérdidas desconocidas. Esquemáticamente, el
subsistema de transmisión del motor representa una ineficiencia de conversión
representa una ineficiencia de conversión de energía. Las pérdidas de estas
ineficiencias se asume calientan el fluido antes de la compresión.
Matemáticamente pude ser modelado por la siguiente relación lineal:
Donde:
· W
= Potencia eléctrica de un compresor hermético o semihermético, o potencia del
eje para un compresor abierto.
·
Wlo
= Pérdidas electromecánicas constantes.
·
Wint =
Potencia de compresor interno idealizado.
·
α = Factor de pérdida de potencia proporcional
Wlo y α son
parámetros empíricos determinados por el rendimiento de un análisis de
regresión de los datos del fabricante. Otros parámetros también son requeridos
para modelar Wint,
dependiendo del tipo de compresor.
Modelando
compresores recíprocos: El refrigerante entra en el compresor en el
estado 1 y se calienta al estado 1ª por las pérdidas termodinámicas del modelo
de transmisión del motor. El refrigerante sufre compresión isentrópica a un
estado 2s, seguido por un estrangulamiento a la descarga del compresor en un
estado 2. La válvula de estrangulamiento es una aproximación simplificada para
modelar pérdidas dentro del compresor causadas por las caídas de presión a
través de las válvulas de descarga y succión. Un modelo más exacto puede
incluir pérdidas de presión tanto a la salida como a la entrada del compresor.
En realidad, muchos compresores pueden modelarse adecuadamente sin válvula de
estrangulamiento en absoluto.
El caudal de refrigerante a
través del sistema debe determinarse para predecir el rendimiento de la
enfriadora y el compresor. El caudal de refrigerante del compresor es una
función decreciente del ratio de presión debido a la re-expansión del vapor en
el volumen hueco. Cuando el refrigerante se modela como un gas ideal, el caudal
volumétrico viene dado por:
Donde:
V= Caudal volumétrico
Vs = Caudal volumétrico barrido (desplazamiento geométrico
del compresor).
Cf = Factor de espacio = Vclearance/Vs
Pex/psuc = ratio de presión del cilindro
γ = Ratio de calor específico
Vs y Cf
deben identificarse usando datos para los compresores recíprocos actuales.
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1 comentarios:
Офигеть просто! Все, блин, всё знают, кроме меня
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