Efecto Krapivin aplicado a la generación de vapor (página 2)

¿Cómo aplicar este
fenómeno a la generación de
vapor?

Para aplicar este efecto de calentamiento y
obtención espontánea de calor sensible se puede
disponer de una batería similar a la anterior pero en
forma seriada de modo que el vapor se sobrecaliente y seda el
calor sensible incrementando el flujo hasta cierto valor
Terminal.

Fig. 2 Esquema para la utilización
del efecto Krapivin en la generación de vapor

Tal como en el diagrama se observa al Generador de vapor
(1) se le suministra una cantidad inicial de calor Q, que
proviene de una fuente externa y se señala con la flecha
roja.

• Los domos 1, 2, n y n+1 contienen el agua que se
  evapora a la temperatura de saturación a la
  presión de trabajo.

• Los domos 1k, 2k y nk contienen la solución
  salina que provoca el sobrecalentamiento del vapor a causa
  del Efecto Krapivin.

¿Cuánto puede incrementarse el
flujo de vapor a causa del calor sensible
obtenido?

Para conocer en cuanto puede incrementarse el flujo de
vapor es necesario realizar un balance térmico cuando el
vapor sobrecalentado entra al domo de agua pura, momento en que
se enfría a causa de evaporar una fracción de agua
que se encuentra a la temperatura de ebullición, saliendo
todo el vapor en estado saturado seco.

El calor total que sale del vaso de solución
salina con el flujo de vapor W1k es el que llega al domo de agua
(2) y será:

Este calor será igual al que sale del vaso 2 de
agua pura con el flujo de vapor W2 y que se encuentra a la
temperatura de ebullición.

Después de producida la evaporación
secundaria del vaso 2, se ve que la evaporación del tercer
vaso es igual a la evaporación del segundo vaso más
un incremento a causa del Efecto Krapivin. Realizando un despeje
se puede determinar la evaporación W2 que sale
del vaso 2 de agua a causa de la toma de calor sensible Qk
proveniente del efecto Krapivin del domo 1k:

Al término entre paréntesis del miembro
derecho de la ecuación anterior se le reconocerá de
ahora en lo adelante como Coeficiente de Efecto
Krapivin:

Si se tiene la misma solución salina a igual
concentración y presión en el próximo
proceso de sobrecalentamiento se tendrá el mismo
Coeficiente de Efecto Krapivin por lo que se tendría que
multiplicar por el mismo coeficiente, en este caso se puede
plantear que:

En un tercer paso el flujo que saldrá de un vaso,
domo o recipiente de agua pura tendrá la misma forma que
para el segundo vaso:

Realizando este proceso n veces,
alternativamente y teniendo como final un chorro de vapor
saturado se puede obtener una expresión de la siguiente
forma:

Lo cual es igual a la expresión siguiente en caso
de que existan caídas de presión durante los
procesos continuos de calentamiento y
evaporación:

Como se puede ver se ha definido un coeficiente
térmico, que define el incremento adicional que obtiene el
chorro de vapor después de utilizado el Efecto
Krapivin.

¿Cuánto se puede disminuir el
consumo de combustible aplicando este
fenómeno?

El consumo de combustible de un generador de vapor (B)
se calcula por la siguiente expresión:

Utilizando el Efecto Krapivin para caso ideal donde no
existe caída de presión el consumo de combustible
puede calcularse de la siguiente forma:

En este caso el coeficiente K hace disminuir con igual
proporción la cantidad de combustible requerida, por
tanto:

Teniendo en cuenta las expresiones analizadas
anteriormente, se puede obtener el combustible ahorrado de la
siguiente forma:

Para el caso real donde existe caída de
presión:

Esta por tanto es una expresión análoga a
la del crecimiento del flujo de vapor. Con lo cual el combustible
ahorrado se puede calcular por la siguiente
expresión:

O en caso ideal y sin pérdidas ni caídas
de presión el combustible ahorrado será:

¿Cómo se mejora la eficiencia
de una CTE por la aplicación del Efecto
Krapivin?

Conocida la forma teórica en que disminuye el
consumo de combustible a causa del uso del Efecto Krapivin solo
resta determinar su influencia sobre la eficiencia de una Central
Termoeléctrica. La eficiencia de una CTE puede calcularse
directamente de la ecuación:

Al hacer uso del Efecto Krapivin el consumo de
combustible BK disminuye según la
expresión:

Teniendo esto en cuenta y llamando (k el
rendimiento total de la CTE en presencia del mencionado efecto.
Se tienen:

De esta ecuación sustituimos BK por la
expresión anterior y obtenemos:

O lo que es lo mismo:

Como se ve, esta ecuación contiene la formula por
la cual se determina la eficiencia de una CTE, por lo cual esta
será directamente proporcional al Coeficiente de Efecto
Krapivin que se pueda lograr en ella:

Esta última ecuación ofrece un resultado
muy alentador, ya que con la ayuda del Efecto Krapivin se
podrá aumentar la eficiencia de una CTE en valores
superiores a los logrados actualmente.

¿Cuánto será el Ahorro
Potencial que ofrece el Efecto Krapivin?

A continuación se dará un ejemplo que
muestra la potencialidad de este fenómeno y para
ello.

Considérese un bloque hipotético de 100 MW
cuya disponibilidad es del 75 % y posee un consumo
específico de 275 g/kWh, dado por un gasto de 20,6 T/h de
combustible.

Considerando que se repita dos veces el Efecto Krapivin
y que en cada etapa se alcance un sobrecalentamiento
de

si la Termoeléctrica trabaja a una presión
de vapor directo de 10.0 MPa para la cual el calor latente es r =
1317.3 kJ/kg. Se tiene:

Fig. 3 Caldera tipo P de un bloque de 100
MW de la CTE "Máximo Gómez" de Mariel.

• a) Diseño normal. b) Con
  aprovechamiento del E.K., con tres etapas y cuatro domos en
  el conducto de gases para evitar las pérdidas de calor
  al medio.

Con lo cual.

Bajo estas condiciones; se puede hacer uso de la
ecuación desarrollada para obtener el ahorro de
combustible a partir del Efecto Krapivin:

O en caso ideal y sin pérdidas o caída de
presión sería:

Se empleará la última y por
tanto.

En este caso un Efecto Krapivin de 45ºC,
fácilmente alcanzable a base de una solución de
CaCl2 ha reportado un 23.47 % de ahorro de combustible con solo
utilizar este efecto dos veces, permitiendo con ello un ahorro de
4.83 T/h, lo cual equivale a un ahorro de 32 256 T al año;
es decir, al precio del combustible actual solo considerando 100
dólares el barril sería un ahorro de 20,97 millones
de dólares y el consumo específico
disminuiría desde 275 g/kWh hasta 210 g/kWh.

Después de este análisis solo queda
determinar en cuanto aumenta la eficiencia de la CTE, que se
supondrá, trabaja con una eficiencia del 33 %.

Como se vio la eficiencia aumenta directamente
proporcional al Coeficiente de Efecto logrado y se calcula
según la ecuación:

Aquí conocemos que:

Por lo que la eficiencia aumentara hasta:

Como se puede apreciar, para un efecto y empleándolo
sólo dos veces, la potencialidad es enorme debido a que
bajo estas circunstancias la eficiencia de una CTE puede
incrementarse en un 10.1 %, valor que es capaz de compensar y
retribuir en un corto periodo de tiempo cualquier
inversión que se ejecute en este campo.

Conclusiones

El fenómeno del Efecto Krapivin puede ser
empleado para disminuir los consumos de combustible en la
generación de vapor, sea este en termoeléctricas o
fábricas de todo tipo, lavanderías, hospitales,
hoteles, etc. El empleo en la técnica de esta
solución puede reportar ahorros de combustible que se
pudieran enmarcar entre el 20% y más del 50% del que
actualmente se emplea para tales fines.

Queda, pues en sus manos, la posibilidad de comenzar la
aplicación a escale experimental de este fenómeno,
que no solo tiene bondades, ya que se pueden enumerar una serie
de inconvenientes que es muy importante analizar y medir su
acción, tales como son: la corrosión en calderas y
bombas, así como el arrastre de sales en el vapor puede
provocar en las tuberías y sus accesorios problemas
similares, además de problemas secundarios en las
turbinas. Sin embargo, una solución posible a estos
efectos está por medio del empleo de solutos
orgánicos que eleven al igual que la sal la temperatura de
ebullición de la solución.

Gracias, pues por ofrecerle al autor de este resumen la
posibilidad de contar con la validación experimental de la
investigación que le permitirá aspirar al
título académico de Doctor en Ciencias,
ofreciéndole al país otra vía más
para alcanzar la eficiencia energética deseada

Autor:

MSc. Carlos Martínez Collado