Programa Didáctico para Analizar el Rendimiento de la Combustión en Salas de Calderas. COMBUSTIÓN V 1.0

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1 Programa Didáctico para Analizar el Rendimiento de la Combustión en Salas de Calderas. COMBUSTIÓN V 1.0 Mª del Pilar Morales Ortíz, Manuel C. Juárez Castelló, Manuel Mª Ruiz de Adana Santiago. Área de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad de la Rioja. 1. Introducción. Abstract: A recent software is developed to study and analyze the phenomena of combustion that takes place in domestic boilers. The development has been made to test the energy efficiency of domestic heating system boilers in La Rioja community and the study is supported by the local natural gas supplier. External data from measurement analyzer is used to compute and determine the efficiency of domestic boilers, and a report is generated that includes the results of the test, environmental effects and adequate degree of compliance to the national. El objetivo de la aplicación que se ha desarrollado es la construcción de un soporte que facilite los estudios sobre rendimiento de la combustión en calderas, efectuando principalmente las siguientes funciones: - Estudio de la combustión en cada caso; recuperando los datos del análisis de humos de la combustión de un analizador de humos portátil y realizando a partir de los porcentajes de Oxígeno, Dióxido de Carbono y Monóxido de Carbono existente en los humos de cada combustión los cálculos necesarios para evaluar convenientemente dicha combustión. En este sentido la aplicación informática realiza la construcción de los diagramas característicos de la combustión para cada combustible y analiza la representación del punto característico de la combustión. - Evaluación a partir del proceso de cálculo descrito anteriormente del rendimiento de la combustión así como un estudio de la composición de los humos resultantes, de cara a evaluar el impacto medioambiental. - Tutorial sobre combustibles, combustión y métodos de cálculo a emplear para realizar la evaluación del rendimiento de la combustión y la construcción de los diagramas de Ostwald del combustible. Este tutorial se emplea tanto para completar y homogeneizar la formación de técnicos que quieran introducirse en el campo de la eficiencia energética de la combustión como para la formación de los alumnos. En este sentido la aplicación Combustión V1.0 se ha integrado en el programa de prácticas de Laboratorio que el Área de Máquinas y Motores Térmicos imparte para la titulación de Ingeniería Técnica Industrial en Mecánica. Este último aspecto complementa el conjunto del programa y posibilita la utilización de la aplicación por cualquier tipo de usuario. 6 Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto 1999

2 La programación se ha realizado en Visual Basic V 3.0 de Microsoft Corporation (1993) y el programa, en su versión ejecutable, puede ejecutarse en cualquier PC compatible 486 o superior. El programa se ha desarrollado de forma que se pueda trabajar con él utilizando tan sólo el ratón, prestando así mayor atención a la información que recibe y aporta al programa. Los resultados obtenidos con esta aplicación permiten la realización de informes, tanto para la compañía suministradora de Gas Natural, como para las comunidades de propietarios incluyendo resultados del estudio y mejoras a realizar en cuanto al cumplimiento de la Normativa - Reglamento de Calefacción, Agua Caliente Sanitaria e I.T.C. del Ministerio de Industria y Energía (1980) y Norma U.N.E. A.E.N.O.R. (1987) - y a posibles correcciones en la instalación desde el punto de vista del rendimiento energético e impacto medioambiental. 2. Estructura general de la aplicación. La estructura básica del programa puede comprenderse fácilmente en el Diagrama de flujo simplificado que se muestra en la Fig. 1, donde se aprecia la estructura lógica general. Aunque la estructura pueda parecer rígida, dada la versatilidad del lenguaje de programación, en la práctica, la mayoría de los bloques del diagrama están interrelacionados, de forma que el usuario del programa pueda elegir el orden secuencial deseado en función de su capacidad y de sus conocimientos. De esta forma se logra que usuarios con distinto nivel de conocimiento puedan utilizar el programa con la secuencia que permita realizar un mejor aprendizaje. La aplicación informática Combustión V1.0, consta de tres partes netamente diferenciadas: una primera teórica, en la que se presentan los conceptos básicos sobre la C Presentación Tutorial Resolución problemas Maleta Salvar Introducir datos combustión Leer datos Datos correctos? Proceso cálculo Visualizar Resultados Imprimir Imprimir Imprimir Tipo de combustible Introducir datos combustible Leer datos Datos correctos? Salida Proceso cálculo Visualizar diagrama Introducir datos combustión Leer datos Datos correctos? Proceso cálculo Visualizar Resultados F Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto

3 combustión, introducción a la combustión, tipos de combustiones, calor generado en la combustión, Diagramas de Ostwald, poderes caloríficos de los combustibles, rendimientos y calores de la combustión, etc. Una segunda parte práctica, en la que se pueden introducir datos tales como el tipo de combustible a introducir en la caldera, coeficiente de exceso de aire, concentración de gases en los humos, etc, en la que se resuelven problemas concretos, ofreciendo al final la opción de imprimir los datos obtenidos y generar un informe. Por último una tercera parte con conexión al equipo analizador de humos de la combustión, en la que el usuario de cualquier empresa pueda realizar informes sobre el funcionamiento de las calderas que están a su cargo, a partir de las mediciones de campo que el equipo analizador de gases de combustión haya realizado en las instalaciones. Además de la introducción teórica o tutorial, la aplicación dispone de una ayuda habitual en el entorno Windows que se activa mediante la tecla de función F1 de modo que es posible profundizar más en los diferentes conceptos que utiliza la aplicación. Por otra parte la aplicación informa al usuario del modo de operar e introducir datos o del significado de las distintas opciones mediante mensajes informativos que se muestran en la parte inferior de cada pantalla, al objeto de comprender de una forma rápida la dinámica de la aplicación. 3. Estructura del tutorial. Si se selecciona el botón denominado "tutorial", aparecen una serie de pantallas en las que se definen los conceptos básicos de la combustión. Haciendo "click" sobre el botón continuar, aparece la primera pantalla donde se define la combustión y se muestra un esquema de una reacción cualquiera de combustión, con opción a un ejemplo. En dicha pantalla se puede recibir información sobre los términos: oxidación, reacción de oxidación exotérmica, combustible, comburente y productos de la combustión; tal como se aprecia en la Fig. 2. Fig 2.- Información sobre el proceso de combustión 8 Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto 1999

4 En la siguiente pantalla, se definen los tipos de combustión: combustión completa, neutra, incompleta y totalmente incompleta, con opción a recibir información sobre los términos: inquemados y aire estrictamente necesario. A continuación, se definen los poderes de la combustión, tales como, poder comburívoro, poder fumígeno y el coeficiente de exceso de aire, pudiendo recibir información sobre los términos: condiciones normales, volumen de humos secos e hidrógeno disponible. Fig 3.- Diagrama de Ostwald. Las dos siguientes pantallas representan el diagrama de Ostwald, la primera para un combustible gaseoso que no contiene CO 2 como elemento del combustible y la segunda para un combustible gaseoso que contiene CO 2 como elemento del combustible. Ambos diagramas son interactivos y el usuario puede aprender a utilizar e interpretar los diagramas mediante la activación de las partes más significativas de los mismos. Podemos observar una de estas pantallas en la Fig. 3. Fig 4.- Rendimiento de la Combustión. Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto

5 Seguidamente, se definen los poderes caloríficos superior, inferior y la relación entre ellos, así como la temperatura de la combustión, con la explicación del posible precalentamiento del combustible y el comburente, pudiendo obtener más información sobre los conceptos: calor de precalentamiento del combustible y calor de precalentamiento del comburente. En la ultima pantalla de la parte correspondiente a tutorial, se definen los calores producidos en la combustión y rendimiento de la misma, como puede observarse en la Fig. 4. Pasada esta introducción teórica útil para aprender o recordar conceptos fundamentales, comienza la parte práctica del programa, pudiendo acceder en cualquier momento a la ayuda, pulsando "F1". 4. Resolución de problemas de combustión. Activando la opción denominada "problemas", aparece una pantalla con la única opción de elegir entre combustibles sólidos, líquidos y gaseosos y dentro de cada uno de ellos, el combustible deseado. Si el combustible que queremos seleccionar no se encontrase en esa lista hay la opción de introducir su composición, y archivarlo para posteriores análisis. Una vez seleccionado y aceptado el tipo de combustible, aparece una ventana con la composición del combustible seleccionado. De esta forma es posible adecuar el programa a la composición exacta que tenga el combustible cuya combustión queremos analizar pudiendo cambiar en este cuadro su composición. Si se selecciona un combustible no existente previamente, aparece la misma ventana con las cajas de texto vacías y en ellas se puede introducir su composición. Estos procedimientos se ilustran en la Fig. 5. Fig 5.- Composición del combustible. Para aquellos casos en los que se haya cambiado la composición del combustible, se ofrece la opción de guardar este combustible en la memoria como se ha mencionado anteriormente. En función del tipo de combustible seleccionado (sólido, líquido o gaseoso) aparecen en esta ventana diferentes elementos componentes del combustible. 10 Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto 1999

6 Una vez aceptado el tipo de combustible la aplicación verifica si la suma de las concentraciones de los elementos que componen el combustible seleccionado es del 100%; en caso de no ser así se informa mediante un cuadro de diálogo al usuario y se muestra la ventana con la composición del combustible para corregir el error, tal como se aprecia en la Fig.6. Fig 6.-.Mensaje de error. Una vez que hemos introducido y aceptado la composición del combustible se muestra el diagrama de Ostwald correspondiente al tipo de combustible seleccionado y se activa la opción de "introducir datos". En esta nueva ventana es posible introducir datos característicos del problema como la composición de los gases producidos en la combustión y el exceso de aire. Fig 7.- Composición característica de los humos y diagrama. Si al activar con el ratón la opción "resultados", la información introducida no es la adecuada o está incompleta, el programa obliga a corregirlos o completarlos, mediante el correspondiente cuadro de diálogo. En el caso en el que la información sea la correcta, el programa completará el resto de cajas de texto que han quedado vacías mediante los Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto

7 cálculos oportunos y representa el punto característico de combustión en el diagrama de Ostwald. Simultáneamente se activa una nueva ventana que posibilita el acceso a tres opciones: la introducción de nuevos datos de cálculo, el cálculo del rendimiento de la combustión y la impresión de datos como puede verse en la Fig. 7. Activando con el ratón la opción denominada "Rendimiento" aparecerá una ventana que ofrece la posibilidad de introducir datos característicos como Poder Calorífico Superior, P.C.S., Poder Calorífico Inferior, P.C.I., temperatura de precalentamiento del combustible y comburente, temperatura de los humos, calores producidos en la combustión, y otros. Fig 8.- Rendimiento y calores de la combustión. Si activamos la opción "Resultados", y la información introducida no es la adecuada o está incompleta aparece un mensaje de aviso mediante cuadro de diálogo y obliga a corregir el error o completar la información. En el caso en el que la información sea correcta, el programa calcula y completa el resto de cajas de texto, tal como se muestra en la Fig. 8. En la misma figura se observa en su parte inferior la información sobre las unidades en las que se ofrecen los resultados. Fig 9.- Resumen de resultados. 12 Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto 1999

8 Una vez completados los cálculos con los datos corregidos y obtenidos los resultados deseados en un resumen, el programa permite imprimir los resultados y la representación del diagrama, mediante la selección del botón denominado " Imprimir", obteniéndose el resumen mostrado en la Fig Conexión del analizador. Con la selección del botón del analizador aparecerá una forma con un botón de comenzar la captura. Cuando se seleccione está opción el programa te avisa si has conectado el analizador al P.C., tal como se indica en la fig. 10, y otro aviso que te recuerda que has de darle al botón <PRINT> del analizador. En el caso de querer detener la comunicación se dispone de la opción de anular la captura de datos del analizador. Fig 10.- Aviso para conectar el analizador. Una vez realizada la captura de datos de la memoria (mediante la conexión RS- 232), el programa te da la opción de ver en pantalla dichas memorias. Con la opción de seleccionar memorias aparecerá una forma con una caja de textos en la que se tecleará el número de memoria de la que se quieran tomar los datos. En el caso de que el número tecleado no esté en esas memorias aparecerá un aviso diciendo que el número de memoria seleccionado no existe y que se vuelva a introducir el número de memoria. Con la opción aceptar aparecerá una forma con los datos correspondientes a dicha memoria. Con el botón aceptar el programa calculará la composición de los humos, en función del combustible quemado en la caldera, los calores producidos y el rendimiento de dicha combustión, dando un cuadro resumen con estos datos y el correspondiente diagrama de Ostwald. Revista de Enseñanza y Tecnología Mayo - Agosto