Vinculación y Aplicación de las Matemáticas para Dar Solución a un Balance Energético en una Caldera Pirotubular

Abstract

En el Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la Universidad Autónoma de Nayarit, se encuentra ubicada una caldera pirotubular que abastece de vapor saturado al laboratorio de Ingeniería Química; de acuerdo a la experiencia que se tiene en la operación de dicha caldera, se pueden conocer algunos datos para hacer su balance de energía durante el proceso de combustión, sin embargo, otros será necesario obtenerlos de tablas termodinámicas o en su caso calcularlos. Los datos necesarios son: flujo de gases de combustión y de agua (líquido-vapor saturado), presión de operación, entalpías y temperaturas de entrada y salida en ambos flujos, así como el calor liberado del equipo. El objetivo específico de este trabajo es calcular la temperatura de entrada a la zona del calderín del flujo de los gases de combustión; para ello se sabe que la temperatura de salida en la chimenea es de 350ºC y las entalpías del flujo de agua a la entrada (agua líquida) y de salida (vapor saturado) es de 104.85 kJ/kg y de 2737.17 kJ/kg respectivamente. Como este problema no requiere balances de materia (lo que entra es igual a lo que sale), se procede en forma directa y haciendo el balance de energía: LiH=0.Es decir, la sumatoria de las entalpías de entrada sustraídas a la sumatoria de las entalpías de salida da como resultado cero. Entonces nuestro problema se reduce a conocer todas las entalpías de cada uno de los compuestos que participan en nuestro balance energético. Los gases de combustión se componen de: dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO₂),óxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO₂),oxígeno (O₂), nitrógeno (N₂),vapor de agua (H₂O) y carbono (C) y sus entalpías están definidas por la fórmula H =∫T--> 350 C_pdT, por lo que se hace necesaria la consulta de las constantes para calcular las capacidades caloríficas de cada compuesto. Se utilizó el programa Matlab © para generar un polinomio con la suma de todas las entalpías en que la variable independiente como se observa antes es T, arrojándonos un polinomio de cuarto grado que igualado a cero nos muestra la ecuación de nuestro balance energético. Para resolver esta ecuación, se generó una hoja de cálculo con el programa Excel para encontrar valores de T que aproximen el valor de la ecuación a cero. El dato obtenido fue 1624.6ºC, que corresponde a la temperatura de entrada de los gases de combustión, conociendo de esta manera ya todos los parámetros para el balance energético de la caldera.