Calculadora de eficiencia del precalentador de aire

La eficiencia del APH parece en la pantalla un único porcentaje; en campo no se lee así. Si la temperatura de entrada del gas, la temperatura de salida del gas, la temperatura de entrada del aire y la temperatura de salida del aire no provienen del mismo instante de operación, el valor obtenido es solo una estimación bien formateada. Sobre todo si hay leakage en un rotary air preheater, la temperatura de salida del gas puede engañar a primera vista. Ver una temperatura baja de los gases de combustión en el DCS se siente bien, pero si hay fuga por el lado del seal, esa mejora se queda en el papel.

¿De qué diferencia de temperatura proviene el porcentaje de eficiencia?

Un air preheater es un intercambiador de calor que acerca los gases de combustión calientes al aire de combustión frío. El lado del gas se enfría y el lado del aire se calienta. Lo que hace la calculadora es leer este cambio de temperatura desde dos direcciones distintas: eficiencia del lado del gas o eficiencia del lado del aire.

El punto común de ambos métodos es la diferencia de temperatura entre las entradas:

$$
\Delta T_{head} = T_{g,in} - T_{a,in}
$$

Si el gas entra al APH a 340 °C y el aire entra a 30 °C, la diferencia de temperatura disponible es 310 K. Aquí, la diferencia en Kelvin y en grados Celsius tiene la misma magnitud; lo que da 340 - 30 también lo da 613,15 - 303,15. La calculadora también muestra esta diferencia en el resultado, porque ese es el punto de apoyo del porcentaje de eficiencia.

Para la eficiencia del lado del gas, el cálculo se plantea así:

$$
\eta_{gas} = \frac{T_{g,in} - T_{g,out}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

La eficiencia del lado del aire, en cambio, observa la temperatura que gana el aire:

$$
\eta_{air} = \frac{T_{a,out} - T_{a,in}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Aunque el denominador sea el mismo, los dos resultados no tienen por qué coincidir. De hecho, en la mayoría de los datos reales no coinciden. Los caudales de gas y aire no son iguales, los calores específicos son distintos, la medición de leakage no está incluida en este cálculo y la distribución de temperatura dentro del conducto no siempre es uniforme. Por eso es más correcto pensar en la eficiencia del lado del gas y la del lado del aire como dos lecturas separadas.

Si en una nota de ingeniería se escribe “eficiencia %80”, también hay que añadir el método junto a esa línea. ¿Lado del gas o lado del aire? El mismo porcentaje puede significar algo muy distinto con otro método.

Cálculo del lado del gas: ¿cuánto se enfriaron los gases de combustión?

El método del lado del gas mide cuánta temperatura pierde el gas de combustión al pasar por el APH. Si la entrada del gas es 340 °C, la salida del gas 150 °C y la entrada del aire 30 °C, la fórmula funciona así:

$$
\eta_{gas} = \frac{340 - 150}{340 - 30} \times 100
$$

El resultado es %61,29.

Este cálculo ofrece una primera lectura bastante práctica para el lado del gas. Si el APH está sucio, si las superficies del basket están cargadas, si el efecto del sootblower se ha debilitado o si ha empezado una obstrucción en el lado cold-end, la temperatura de salida del gas se mantiene alta. El gas no se enfría lo suficiente. El numerador de la fórmula se reduce y la eficiencia baja.

Pero no conviene mirar la temperatura de salida del gas con demasiado romanticismo. En un rotary APH, si el aire se fuga del lado del aire hacia el lado del gas, la salida de gas medida puede parecer fría. Esto puede interpretarse como si la transferencia real de calor hubiera aumentado. El valor bajo en la pantalla del DCS queda bien en el informe; luego, cuando la medición de leakage llega a la mesa, ya no queda tanta confianza en ese mismo valor.

Esta calculadora no hace corrección de leakage. Tampoco genera una temperatura de salida de gas no-leakage. Si tiene una temperatura bruta de salida del gas, la eficiencia del lado del gas también se calcula con ese dato bruto de temperatura. Así hay que escribirlo. De lo contrario, el porcentaje parece más contundente de lo que debería.

La eficiencia del lado del gas resulta especialmente útil al seguir la misma unidad a lo largo del tiempo. Ayer, la semana pasada, antes del mantenimiento, después del mantenimiento. Pero para que la comparación tenga sentido, el punto de carga debe ser similar. Si cambió el combustible, si se movió el exceso de aire o si el damper del ventilador quedó en otra posición, no es fácil poner dos eficiencias una junto a otra y emitir un juicio. En Excel dos filas quedan alineadas; en operación no.

Tomemos un ejemplo más realista: entrada del gas 346,7 °C, salida del gas 158,4 °C, entrada del aire 32,1 °C. La eficiencia del lado del gas es aproximadamente %59,85. Aquí no existe el orden de los ejemplos redondos. En campo, por lo general, tampoco existe.

Cálculo del lado del aire: ¿hasta dónde se calentó el aire de combustión?

El método del lado del aire observa cuánto eleva el APH la temperatura del aire de combustión. Si se calcula con entrada del gas 340 °C, entrada del aire 30 °C y salida del aire 280 °C:

$$
\eta_{air} = \frac{280 - 30}{340 - 30} \times 100
$$

El resultado es %80,65.

Con el mismo conjunto de temperaturas, el lado del gas había dado %61,29 y el lado del aire %80,65. Esto por sí solo no es una señal de avería. La caída de temperatura del lado del gas es 190 °C, mientras que el aumento de temperatura del lado del aire es 250 °C. Como el caudal y \(C_p\) no entran en el cálculo, es incorrecto leer estos dos porcentajes como un balance de energía.

La eficiencia del lado del aire habla de forma más directa para quien se interesa por la temperatura del aire que va al quemador. Si la temperatura de salida del aire es baja, puede haber una situación que deba seguirse en el lado de combustión en términos de combustible, estabilidad de llama o eficiencia de la caldera. Pero aquí también entra en juego la ubicación del sensor. En conductos de aire grandes, la mezcla no siempre es homogénea. Una temperatura medida en un solo punto puede no representar todo el conducto.

La temperatura de entrada del aire se ve afectada por la estación. El aire que entra a 5 °C en invierno y el que entra a 35 °C en verano pueden dar porcentajes distintos en el mismo APH. Por eso, al comparar entre meses, conviene preguntarse: “¿cambió la entrada de aire, pero la eficiencia se mantuvo igual?”. Algunos informes omiten esta diferencia. Después no se entiende por qué se movieron los valores.

En el cálculo del lado del aire, la temperatura de salida del gas no aparece en la fórmula. Aun así, se sigue de reojo. Si la salida de aire parece buena y la salida de gas también es inusualmente baja, la sospecha de leakage no desaparece. Que el aire se haya calentado bien no significa que la historia del lado del gas esté cerrada.

¿Dónde aparecen más errores en las entradas?

La calculadora tiene cuatro campos de temperatura: entrada del gas, salida del gas, entrada del aire y salida del aire. También hay una selección de método. Cuando se elige el lado del gas, se usan la entrada del gas, la salida del gas y la entrada del aire. Cuando se elige el lado del aire, pasan al frente la entrada del gas, la entrada del aire y la salida del aire. La diferencia de temperatura, en cualquier caso, proviene de la entrada del gas y la entrada del aire.

La unidad puede ser °C, °F o K. Si la conversión es correcta, el porcentaje no cambia. El error suele estar más en el propio valor: por ejemplo, escribir 340 K en lugar de 340 °C. 340 K corresponde aproximadamente a 66,85 °C. La calculadora no puede entender la intención del usuario; toma el número, hace el cálculo y entrega el resultado. Luego aparece un porcentaje extraño en el informe.

El tiempo de medición puede molestar tanto como la unidad. Si la entrada del gas es un promedio de las 10:00, la salida del aire es un valor instantáneo de las 10:30 y la salida del gas se tomó mientras bajaba la carga, el cálculo puede verse ordenado, pero los datos no cuentan la misma historia. Con carga estable, un promedio de 15-30 minutos suele ser mejor para la mayoría de las comprobaciones prácticas. Intervalos más cortos a veces bastan, especialmente en una revisión rápida de turno. Para un informe de desempeño hace falta un poco más de paciencia.

También debe anotarse la ubicación del sensor. Si el perfil de temperatura en la entrada del APH no es uniforme, una sola sonda puede no ser suficiente. Si hay stratification en la salida del gas, un valor tomado desde una esquina no representa toda la sección. En la salida del aire hay un problema similar; un lado del conducto puede quedar más caliente y el otro más frío. La fórmula no sabe eso.

A veces, lo que llamamos error de cálculo es en realidad un error de disposición de medición.

Este porcentaje no es un balance de energía

Conviene decirlo claramente sin alargarlo demasiado: esta calculadora no usa caudal ni calor específico. Solo obtiene la eficiencia del lado del gas o del lado del aire a partir de diferencias de temperatura. No hay X-ratio. No hay corrección de leakage. No hay temperatura no-leakage.

Esto no significa que el cálculo no sirva; ese es simplemente su alcance.

Si se va a calcular la carga térmica, se necesitan el caudal y \(C_p\). En el lado del aire, la ganancia térmica aproximada se obtiene así:

$$
Q_{air} = \dot{m}_{air} \times C_{p,air} \times (T_{a,out} - T_{a,in})
$$

En el lado del gas se hace una lectura similar:

$$
Q_{gas} = \dot{m}_{gas} \times C_{p,gas} \times (T_{g,in} - T_{g,out})
$$

Estos dos cálculos no son lo mismo que la eficiencia de temperatura. La eficiencia del lado del aire puede salir %80 y la del lado del gas %61; sin conocer los caudales, no se debe saltar desde ahí a la conclusión de que “se perdió energía” o de que “el cálculo está mal”. No se construye un balance de energía sin que entren en la tabla el caudal de aire, el caudal de gas, los calores específicos y la información de leakage.

La suposición de \(C_p\) del gas en una caldera de carbón se comporta de forma distinta que en gas natural, y de otra forma en biomasa. La relación de exceso de aire, la humedad, la composición del combustible y la carga afectan todos al lado del gas. Lo que hace esta calculadora es más limitado: dar un porcentaje rápido de eficiencia del APH mediante la diferencia de temperatura.

Cómo leer el resultado en campo

Una eficiencia baja hace pensar primero en ensuciamiento. Las superficies del basket pueden estar cargadas, el régimen de sootblower puede ser débil, puede haber llegado el momento de lavar el APH o puede haber empezado una obstrucción en el lado cold-end. Son posibilidades reales. Aun así, abrir directamente una orden de mantenimiento cuando baja la eficiencia sería apresurado.

Si la temperatura de entrada del gas llegó baja, cambia el denominador. Si aumentó el caudal de aire, baja la salida del aire. Si aumentó el leakage, la salida del gas puede parecer extrañamente buena. Si aumentó el pressure drop, se refuerza la sospecha de ensuciamiento. Se puede llegar al mismo porcentaje por caminos distintos; ahí está la parte incómoda del cálculo de APH.

Una eficiencia alta tampoco es por sí sola un certificado de éxito. El sensor de salida del aire puede estar leyendo alto. La sonda de entrada del gas puede haber quedado en una zona caliente. El período de promedio puede haber sido demasiado corto. Un valor brillante en el DCS a veces es, en campo, producto de una disposición de medición débil.

Si se va a comparar con un valor de diseño o aceptación, también puede usarse el cálculo de desviación:

$$
Sapma\ (\%) = 100 \times \frac{\eta_{mevcut} - \eta_{tasarım}}{\eta_{tasarım}}
$$

Si la eficiencia actual del lado del gas es %61,29 y la referencia de diseño es %65, la desviación es aproximadamente -%5,71. Esa línea puede entrar en el informe. Si junto a ella no se escriben la carga, el combustible, el exceso de aire y el intervalo de medición, no será demasiado convincente.

Si fuera yo, en lugar de una explicación larga pondría en el informe unos pocos datos duros: método, cuatro temperaturas, carga, pressure drop y, si existe, nota de leakage. Seis líneas suelen servir más que dos párrafos. Sobre todo en una reunión de mantenimiento, nadie lee frases largas y adornadas; miran de dónde salió el valor.

Nota breve al usar la herramienta

Empiece por la selección del método. Si se quiere la eficiencia del lado del gas, concéntrese en la entrada del gas, la salida del gas y la temperatura de entrada del aire. En la eficiencia del lado del aire, el cálculo lo sostienen la entrada del gas, la entrada del aire y la salida del aire. La cuarta temperatura sigue estando en pantalla; sirve para la interpretación.

Una entrada del gas de 340 °C, salida del gas de 150 °C y entrada del aire de 30 °C dan %61,29 en el lado del gas. Con los mismos valores de entrada del gas y entrada del aire, si se introduce una salida del aire de 280 °C, el lado del aire da %80,65. Estos dos cálculos de prueba son suficientes para comprobar la lógica de diferencia de temperatura de la herramienta.

Si los datos se van a introducir con otra unidad, revise primero la selección de unidad. Si se mezclan °F y °C, el resultado se desvía bastante. Al usar Kelvin, también hay que asegurarse de introducir correctamente los valores absolutos; no es buena idea escribir datos sin convertir solo porque “K se ve más técnico”.

Es más honesto cerrar así: no lea el porcentaje obtenido por sí solo, sino junto con las tendencias del mismo punto de carga. Si la temperatura de salida del gas, la temperatura de salida del aire y el pressure drop dicen algo en la misma dirección, el cálculo sirve. Si uno va hacia otro lado, revise primero el lado de medición.