Calderas

1CALDERAS

INDICE

CALDERAS

1.- CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2.- BALANCE DE ENERGA EN UNA CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2.1.- Balance energtico en una caldera de vapor de gas natural . . . . .7

3. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3.1.- Clculo de rendimiento en una caldera (mtodo directo) . . . . . .11

3.2.- Clculo del rendimiento de una caldera (mtodo indirecto) . . . .12

4.- MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

1Calderas

3

La caldera es un equipo donde se transfiere la energa obtenida en la combus-tin de un combustible a un fluido de trabajo.

1. CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS

Las calderas pueden clasificarse atendiendo a varios criterios:

Atendiendo a las necesidades energticas del proceso:

- Calderas de agua caliente

- Calderas de agua sobrecalentada

- Calderas de vapor saturado

- Calderas de vapor sobrecalentado

- Calderas de fluido trmico

Atendiendo a la posicin relativa entre el fluido a calentar y los gases decombustin:

- Calderas Pirotubulares: Los humos calientes circulan por el interior de lostubos sumergidos en el fluido.

- Calderas Acuotubulares: El fluido circula por el interior de los tubossumergidos en una masa de humos.

2. BALANCE DE ENERGA EN UNA CALDERA

En el balance de calor de una caldera se estable la siguiente igualdad:

CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE

Para realizar el balance deberemos:

- Establecer una temperatura de referencia (normalmente la temperaturaambiente)

- Realizar un balance de masa

CALDERAS

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGTICASECTOR INDUSTRIAL. ENERGA TRMICA. EJEMPLOS PRCTICOS

4

- Considerar el PCI del combustible

A continuacin se describen los calores que toman parte en el balance de unacaldera de vapor. Los clculos se refieren a la unidad de combustible:

Calor entrante

1. Calor sensible del combustible (Qc)

Qc = cc tc [1]

Donde:

cc = Calor especfico del combustible [kcal/Ud. de combustible]

Tc = Temperatura de precalentamiento del combustible [C]

2. Calor de combustin (Qco)

Qco = PCI [kcal/Ud. de combustible]

3. Calor del aire de combustin (Qa)

Qa = Ga cpa t [2]

Donde:

t = Diferencia de temperaturas del aire caliente y fro [C] cpa = Calor especfico del aire [kcal/kg aire C] Se obtiene en la

Tabla 23

Ga = [kg aire/ Ud. de combustible] Se obtiene de las Tablas de 1 a 5

4. Calor del fluido de entrada (Qfe)

Qfe = hfe

Donde

hfe = Entalpa del fluido de entrada [kcal/kg]

Tc

Diferencia de temperaturas del aire de entrada a la caldera y de referencia (C)

Qfe = hfe x Cab

Ca = caudal del agua de alimentacin a caldera (kg/h)

b = consumo horario de combustible

1Calderas

5

Calor saliente

1. Calor del fluido de salida (Qfs)

Qfs = hfs

Donde

hfs = Entalpa del fluido de salida [kcal/kg]

2. Calor de los humos (QH)

Qgc = x [kg. humos/Ud. de combustible] y [kcal/kg humos] [3]

El calor de los gases de combustin se muestra en las Tablas 11 y 12. Con el %de O2 y CO2 se obtiene el caudal de humos (x) expresado en kg de humos/Ud.de combustible. Con la temperatura de los humos, y en las mismas tablas, se encuentra la entalpa especfica de los humos (y) en kcal/kg humos.

3. Calor por inquemados gaseosos (Qig)

Qig = [ ][ ] [ ]

+ 000.1100.321

21

2

CHCOO

[% de prdidas sobre el

PCI del combustible] [4]

Donde:

[O2] = Concentracin de O2 en los humos (%)

[CO] = Concentracin de CO en los humos (ppm)

[CH] = Concentracin de CH en los humos (ppm)

4. Inquemados slidos (Qis)

Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach

Qfe = hfs x Pvb

hfs = Entalpa del fluido de salida (kcal/kg)Pv = Produccin de vapor (kg / h)b= consumo horario de combustible


6

1. Calor por purgas (Qp)

Qp = bhp p [kcal/unidad de combustible]

[5]

Donde:p = Caudal de purgas en kg/h

hp = Entalpa de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpa

de lquido para la presin de generacin de vapor.

b = Consumo horario de combustible

Para calcular la purga continua necesaria en una caldera hay que realizar unbalance de los distintos componentes a controlar.

P a = A b + P bbabAP

=

[kg/h]

Donde:

P = Caudal de purga [kg/h] a = Salinidad total en la caldera [ppm]. Se mira en las tablas que se

presentan a continuacin. b = Salinidad total en el agua de aportacin [ppm]. Se mide con el

conductmetro. A = Caudal de agua de aportacin [kg/h] que es el caudal del vapor menos

el caudal de condensados que se recuperan.

[5]

5.

PRESION

[kg/cm2]

SALINIDAD TOTAL EN

CO3Ca [mg/l]

SILICE EN

SiO2 [mg/l]

SOLIDOS EN SUSPENSION

[mg/l]

CLORUROS EN

Cl [mg/l]

0-20 3.500 100 300 2.000

20-30 3.000 75 250 1.500

30-40 2.500 50 150 1.000

40-50 2.000 40 100 800

50-60 1.500 30 60 650

60-70 1.250 25 40 500

CALD

ERAS

ACU

OTU

BU

LARES

70-100 1.000 15 20 350

Norma UNE-9075 para calderas acuotubulares

.

.

Se obtiene de

1Calderas

7

6. Calor por radiacin (Qr)

El calor perdido por radiacin se calcula midiendo la temperatura y la super-ficie de la caldera, distinguiendo paredes verticales y horizontales hacia arribay hacia abajo.

En la Tabla 30 del Anexo se indican las prdidas expresadas en W/m2 (si mul-tiplicamos por 0,86 las obtendremos en kcal/h m2).

Al multiplicar por cada superficie se obtienen las prdidas kcal/h.

Si b es el consumo horario de combustible, las prdidas por radiacin seobtendrn de la forma siguiente:

Tambin puede emplearse la Tabla 31 para calcular las prdidas por radiacinen funcin de la produccin mxima del vapor y el ndice de carga.

Ejemplo: Balance energtico en una caldera de vapor de gas natural

Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.500 h/ao produce 20 t/hde vapor a 20 kg/cm2 y consume 13.000.000 Nm3/ao. La capacidad mxima decaldera es de 25 t/h. Se realiza una purga continua cuyo caudal es de 1.200kg/h.

El anlisis de la combustin revela los siguientes resultados:

O2 = 2%CO2 = 11%CO = 500 ppm

THUMOS = 230 C

p

PRESION

[kg/cm2]

SALINIDAD TOTAL EN

CO3Ca [mg/l]

SILICE EN

SiO2 [mg/l]

SOLIDOS EN SUSPENSION

[mg/l]

CLORUROS EN

Cl [mg/l]

0-15 7.000 100 300 3.000 CALDERAS

PIROTUBULARES 15-25 4.500 75 300 2.000

Norma UNE-9075 para calderas pirotubulares

Qr = bhKcal /

[kcal/unidad de combustible] [6]


8

Se toma como referencia la temperatura ambiente de 20 C.

Calor entrante:

Se consideran una fuente de calor entrante o calor aportado.

- Calor de combustin, Qco

Qco = PCI = 9.000 kcal/Nm3

De modo que el calor entrante o aportado es:

Qentra = 9.000 kcal/Nm3

Calor saliente

Parte del calor aportado ser empleado en la generacin del vapor y otraparte se perder. Se consideran cuatro puntos de prdida de calor.

- Calor de los humos, QH

De la Tabla 12 se obtiene: 15,5 kg/Nm3

62 kcal/kg

Por lo que, aplicando [3]:

QH = 15,5 kg/Nm3 62 kcal/kg = 961 kcal/Nm3

- Calor por inquemados

Se obtiene de la frmula [4] y se considera [CO] = [CH]

Qig = > @> @ > @

000.1500

100.3

500

221

21

1Calderas

9

- Calor por purgas, Qp

De la Tabla 16 se obtiene la entalpa de la purga correspondiente a 20 kg/cm2

hp = 215,9 kcal/kg

- Calor por radiacin, Qr

El ndice de carga de la caldera es 20/25 = 0,8. De la Tabla 31 se obtiene quelas prdidas por radiacin son del orden de 2,4% del calor aportado, por lo que:

Qr = 0,024 9.000 = 216 kcal/Nm3

Qig = 0,73% de 9.000 kcal/Nm 3 = 65,7 kcal/Nm3

Qp = aoNm

kgkcalaohhkg/000.000.13

/9,215/500.7/200.1

3

= 149,6 kcal/Nm3


10

El balance queda de la siguiente forma:

3. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA

El rendimiento de una caldera puede calcularse por dos mtodos:

- Mtodo directo

Donde:

PV = Produccin de vapor [kg/h]

HV = Entalpa del vapor [kcal/kg]

hfe = Entalpa del fluido de entrada [kcal/kg]

PCIb

hHP feVV

u

K

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b = Consumo de combustible [Ud. de combustible/h]

PCI = Poder Calorfico Inferior del combustible [kcal/Ud. de combustible]

Se observa que para poder calcular el rendimiento de la caldera por estemtodo ser necesario conocer la produccin horaria del vapor as como el con-sumo de combustible.

Ejemplo: Clculo del rendimiento en una caldera (mtodo directo)

Tenemos una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/ao, pro-duce 6 t/h de vapor saturado a 7 kg/cm2. El consumo anual de gas natural es de3.850.000 Nm3. El agua de alimentacin est a temperatura ambiente, 20C.

- Mtodo indirecto

Si se desconoce la produccin de vapor o el consumo de combustible se apli-ca este mtodo, tambin conocido como mtodo de las prdidas separadas.

De la Tabla 16 se obtiene la entalpa del vapor saturado a 7 kg/cm2 o 659,5 kcal/kg

100

/000.9/000.850.3

/205,659/600.7/000.633

NmkcalaoNm

kgkcalaohhkgK =......................84,1% 84,1%

APORTADO

UTIL

Q

Q K

Como: QUTIL = QAPORTADO - QPERDIDAS


12

Siendo:

Ejemplo: Clculo del rendimiento en una caldera (mtodo indirecto)

En una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/ao se obtienevapor a 7 kg/cm2. El anlisis de la combustin revela los siguientes datos:

O2 = 3%

CO2 = 10%

CO = 0 ppm

THUMOS = 185 C

Aplicando la frmula [3] vista en el balance de una caldera y segn tabla 12,se puede calcular:

Se estiman unas prdidas por purgas y por radiacin del 5% por lo que se ten-dr:

APORTADO

PERDIDAS

APORTADO

PERDIDASAPORTADO

Q

Q

Q

QQ

1K

QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION [kcal/Ud. de combustible]

QAPORTADO = PCI [kcal/ unidad de combustible]

Qhumos = 16,3 kg/Nm3 48,037 kcal/kg= 783 kcal/Nm

3

Qpurgas + Qradiacin = 0,05 9.000 = 450 kcal/Nm3

100000.9

4507831

K = 86,3%

1Calderas

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4. MEDIDAS PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGTICA

A continuacin se presentan las medidas de ahorro energtico aplicables a lascalderas, tanto si son empleadas para la generacin de vapor como si se utili-zan para el calentamiento de un fluido.

Las medidas de ahorro energtico que se van a considerar son:

4.1 Ajuste de la combustin

4.2 Economizadores en calderas

4.3 Precalentamiento del aire de combustin

4.4 Recuperacin del calor de purgas

4.5 Calorifugado de tuberas y tanques

4.6 Eliminacin de fugas de vapor

4.7 Mantenimiento de purgadores

4.8 Expansin del condensado de alta presin

4.9 Recuperacin de condensados

4.10 Cogeneracin con turbina de vapor a contrapresin

4.11 Convertidores de frecuencia en ventiladores de combustin y bombasde alimentacin en calderas

4.12 Sustitucin de calderas elctricas por calderas de gas natural

AJUSTE DE LA COMBUSTINPara ver el ahorro por ajuste de combustin habr que calcular el rendimien-

to de la caldera antes (n ci) y despus (n cf) del ajuste de combustin.

El ahorro ser:

Si la caldera consume C unidades de combustible al ao, el ahorro anual ser:

AxC

Las actuaciones a realizar para mejorar la combustin pueden ser:

a) Ajustar la combustin de forma manual

cf

cicfA

=

cf ci


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b) Sustituir los quemadores

c) Instalar microprocesadores de combustin, controlando:

O2

O2 + CO

O2 + CO + Opacidad

En funcin del consumo anual de la caldera, que justifique la inversin, sepropondr la medida a), b) c).

Ejemplo: Ajuste de la combustin de una caldera de gas natural.

Una caldera de vapor genera 7,5 t/h de vapor a 8 kg/cm2 y consume 5.000.000Nm3/ao de gas natural se ha obtenido el siguiente resultado tras el anlisis dela combustin:

O2 = 8%

CO2 = 7,4%

CO = 0 ppm

THUMOS = 200 C

Con la Tabla 12 se obtiene:

21,7 kg/Nm3

52,4 kcal/kg

Analizador de combustin.Cortesa de TESTO

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Por lo tanto, el calor perdido por los gases de la combustin es:

QH = 21,7 52,4 = 1.137 kcal/Nm3

Este calor supone un 12,6% del calor aportado por el combustible (PCI gasnatural = 9.000 kcal/Nm3).

El resto de prdidas se estiman en un 5%. Por lo que el rendimiento de la cal-dera es:

Se realiza un ajuste manual de la combustin y se obtiene el siguiente resul-tado:

O2 = 2,5%

CO2 = 10,5%

THUMOS = 200 C

Del mismo modo se calculan las prdidas por los gases de la combustin y lasprdidas por inquemados:

QH = 9,5%

Resto = 5,0%

Por lo que el rendimiento queda:

El ahorro de combustible ser:

Que supondr un ahorro de:

Ahorro energtico = 2.110.465 kWh(PCS)/ao

Que equivalen a = 163,35 tep/ao

Para un precio de gas natural de 2,6 c/kWh(PCS) se tiene un ahorro econ-mico de:

Ahorro econmico = 54.872 /ao

= 1-0,126-0,05 = 0,824 = 82,4%

= 1-0,095-0,05 = 0,855 = 85,5%

A = 1005,85

4,825,85

= 3,63%


16

ECONOMIZADORES EN CALDERASCon esta medida se pretende aprovechar el calor contenido en los humos de

la combustin que salen de la caldera para precalentar el agua de aportacin ala misma.

El ahorro por la instalacin de un economizador secalcular a travs de los rendimientos antes y des-pus de la mejora.

Normalmente, estos rendimientos se calculan porel mtodo indirecto.

Donde:

QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION

Al instalar un economizador lo nico que vara es QHUMOSpues disminuir la temperatura de salida de los humos.

El ahorro ser:

Si la caldera consume C unidades de combustible al ao,el ahorro anual ser: AxC

Ejemplo: Instalacin de un economizador.

Una caldera de vapor de gas natural consume 6.000.000 Nm3/ao para gene-rar 9 t/h a 10 kg/cm2. El anlisis de la combustin tiene el siguiente resultado:

PCI

QPERDIDAS 1K

f

ifA

KKK

1Calderas

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O2 = 3%

THUMOS = 200 C

Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 16,3 kg/Nm3

53,5 kcal/kg

Por lo tanto, las prdidas en los gases de la combustin:

QH = 16,3 kg/Nm3 53,5 kcal/kg = 872 kcal/Nm3

Este calor equivale al 9,69% del calor aportado (PCI gas natural = 9.000kcal/Nm3). El resto de prdidas se estiman en un 6% (prdidas por inquemados,radiacin y purga).

Se instala un economizador para aprovechar parte del calor que tienen loshumos. De esta forma se obtiene que a la salida del economizador la tempera-tura de los humos es de 180 C.

Las nuevas prdidas por humos sern:

QH = 16,3 kg/Nm3 48,03 kcal/kg= 783 kcal/Nm3

Que equivalen a un 8,7% del calor aportado

= 1-0,0969-0,06 = 0,8431 = 84,31%


18



Ahorro energtico = 809.302 kWh(PCS)/ao




PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIN El empleo de esta medida de ahorro energtico tiene como fin el aprovecha-

miento del calor residual de los humos de combustin de la caldera para el pre-calentamiento del aire que ser empleado en dicha combustin.

Precalentador de Aire.

Cortesa de KALFRISA

= 1-0,087-0,06 = 0,853 = 85,30%

A = 10030,85

31,8430,85

= 1,16%

1Calderas

19

El uso de precalentadores de aire en calderas, dado el bajo coeficiente glo-bal de transmisin de calor entre dos gases, slo se recomienda como ltimorecuso y siempre que no se pueda utilizar la entalpa de los gases de salida paraprecalentar otro tipo de fluido (por ejemplo el agua de aporte de red).

El ahorro por la instalacin de cualquier equipo de este tipo se calcular a tra-vs de los rendimientos antes y despus de la mejora.

Normalmente, estos rendimientos se calculan por el mtodo indirecto.

Donde:

QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION

Al instalar un recuperador para precalentar el aire lo nico que vara es QHU-MOS pues disminuir la temperatura de salida de los humos de la caldera.

El ahorro ser:

Si la caldera consume C unidades de combustible al ao, el ahorro anual ser:

AxC

Ejemplo: Instalacin de un recuperador para el precalentamiento del airede combustin.

Una caldera de vapor de gas natural genera 15,5 t/h vapor a 12 kg/cm2 y con-sume 10.000.000 Nm3/ao. El anlisis de la combustin tiene el siguiente resul-tado:

O2 = 4%

THUMOS = 210 C

Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 17,1 kg/Nm3

56kcal/kg

PCI

QPERDIDAS 1K

f

ifA

=


20

Por lo tanto las prdidas en los gases de la combustin:

QH = 17,1 kg/Nm3 56 kcal/kg = 958 kcal/Nm3

Este calor equivale al 10,64% del calor aportado (PCI gas natural = 9.000kcal/Nm3). El resto de prdidas se estiman en un 6%.

Se instala un recuperador para aprovechar parte del calor que tienen loshumos en precalentar el aire de combustin. De esta forma se obtiene que a lasalida del recuperador la temperatura de los humos es de 180 C.

Las nuevas prdidas por humos sern:

QH = 17,1 kg/Nm3 47,83 kcal/kg = 818 kcal/Nm3

= 1-0,1064-0,06 = 0,8336 = 83,36%

1Calderas

21

Que equivalen a un 9% del calor aportado







RECUPERACIN DEL CALOR DE PURGAS La operacin de purga consiste en extraer slidos disueltos y en suspensin de

la caldera, ya que al vaporizarse el agua aumenta la concentracin de estos sli-dos en el agua que queda, lo que provoca problemas impor-tantes.

El agua evacuada en las purgas de las calderas de vaporest a elevada temperatura y presin. El calor contenido enel agua de purgas se recupera expansionndola en un tan-que y utilizando el lquido y el vapor producidos.

El ahorro obtenido gracias a la recuperacin de estecalor sera:

Recuperadores de calor de purgasCortesa de SPIRAXSARCO

Donde:

Q = Calor recuperado del condensado o purga

n = Rendimiento de la caldera

PCI = Poder Calorfico Inferior del combustible

= 1-0,09-0,06 =0,85 = 85%

A = 10085

36,8385

= 1,93%

> @> @combudkcalPCI

aokcalQA

./

/

u K


22

Ejemplo: Recuperacin del calor de purgas mediante expansin en un tan-que flash.

Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.000 h/ao con un rendi-miento del 85%, produce 14 t/h de vapor a 12 kg/cm2. Se realiza una purga con-tinua de 450 kg/h. Esta purga se va a expansionar en un tanque para producirvapor a 3 kg/cm2 que ser enviado a proceso.

El vapor producido ser:

Por lo tanto, el calor recuperado ser:

Q = 343.226 kg/ao 650,1 kcal/kg =223.131.220 kcal/ao

De esta forma se estima que el ahorrode combustible ser:



Que equivalen a 26,25 tep/ao

PV = ( )

( ) aoh

kgkcal

kgkcal

hkg

000.7

4,1331,650

4,1337,189450

= 343.226 kg/ao

A =

3000.985,0

220.131.223

Nm

kcalao

kcal

= 29.167 Nm

3/ao

1Calderas

23



CALORIFUGADO DE TUBERAS Y TANQUES El ahorro producido por el calorifugado de las

tuberas y tanques se realiza calculando la diferen-cia de prdidas de calor entre los elementos des-nudos y calorifugados.

Para calcular el calor perdido en accesorios seemplea el baco de Wrede (Tabla 40 del Anexo),teniendo en cuenta que una vlvula equivale a 1,8m de tubera y una brida a 0,3 m de tubera.

Instalacin de calorifugado de tuberas

Los codos, T, injertos, reduccionesequivalen en funcin del dimetro de latubera, a:

1-1,5 a 1 m de tubera

2-5 a 1,5 m de tubera

5,5-10 a 2 m de tubera

Las prdidas de los elementos calori-fugados se calculan por el baco delsuministrador del aislamiento.

Para el clculo de las prdidas en tan-ques y depsitos se utilizan las Tablas 38y 39 del Anexo.

El ahorro ser:

Donde:

combud

kcalPCI

ao

hH

h

kcal

A

.u

u' K


24

Ejemplo: Aislamiento de tuberas y vlvulas.

En una caldera de vapor de gas natural que funciona 7.200 h/ao existen 8 mde tubo de 70 mm de dimetro y 4 vlvulas sin aislar. La temperatura del exte-rior de los tubos es de 120 C y la temperatura ambiente es de 20 C. El ren-dimiento de la caldera es del 85%.

Se calculan las prdidas de calor en tuberas y vlvulas sin aislar a partir delbaco de Wrede (Tabla 40).

baco de Wrede

Qtubos = 3 m 280 kcal/m h = 840 kcal/h

Qvlvulas = 4 (1,8 m 280 kcal/m h) = 2.016 kcal/h

QTotal = 2.856 kcal/h

Se procede a colocar un aislamiento de 25 mm en las tuberas y en las vlvu-las de forma que el calor perdido en ellos ser el calculado en los bacos de los

= Diferencia de prdidas calorifugado y desnuda H = Horas de funcionamiento al ao = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorfico Inferior del combustible

1Calderas

25

suministradores (Se va a suponer que las prdidas dadas por el suministradorson de 10 kcal/m h):

Qtubos = 3 m 10 kcal/m h = 30 kcal/h

Qvlvulas = 4 (1,8 m 10 kcal/m h) = 72 kcal/h

QTotal = 102 kcal/h






Ahorro econmico = 754 /ao

ELIMINACIN DE FUGAS DE VAPOR Siempre que exista una fuga de vapor se tendr una prdida energtica. Para

poder realizar un ahorro energtico en este aspecto habr que localizar y elimi-nar las fugas de vapor existentes.

El caudal de vapor que sale por un orificio viene dado por la expresin:

Donde:

Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h]

d = Dimetro del orificio [mm]

P = Presin manomtrica del vapor [kg/cm2]

K = Coeficiente de valor 0,35-0,45

A = ( )

3000.985,0

200.7102856.2

Nmkcal

aoh

hkcal

= 2.592 Nm3/ao

( )1 2 += PPdKQ


26

Tambin puede emplearse la Tabla 45 para el clculo del caudal de vapor per-dido a travs de las fugas.

El ahorro de energa por eliminar las fugas de vapor ser:

Donde:

Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h]

H = tiempo que est la fuga de vapor [h/ao]

X = Produccin especfica de vapor [kg vapor/ud combustible]

Ejemplo: Eliminacin de fugas de vapor.

En una caldera de vapor de gas natural se tienen unas fugas localizadas devapor. En total se han encontrado 10 fugas, 4 de 3 mm de dimetro y 6 de 5 mmde dimetro. La instalacin funciona 5.000 h/ao con una produccin especfi-ca de vapor de 12 kg/Nm3 a 8 kg/cm2 de presin.

De acuerdo con la Tabla 45 el caudal de vapor perdido ser:

XHQA = [ud. combustible/ao]

1Calderas

27

Orificios de 3 mm: 27 kg/h

Orificios de 5 mm: 75 kg/h

El caudal total de vapor perdido:

Q = 4 27 + 6 75 = 558 kg/h

El ahorro de combustible por eliminar las fugas de vapor ser:



Que equivalen a = 209 tep/ao



MANTENIMIENTO DE PURGADORES Un purgador de vapor es una vlvula automtica instalada en una conduccin

de vapor para eliminar los condensados y el aire.

Los purgadores actan en funcin de diversosparmetros fsicos, pudiendo ser estos parmetrosde tipo mecnico como la densidad, termostticoen base a diferencia de temperaturas entre el vapory el condensado y termodinmico en base a cambiosde fase.

Uno de los parmetros esenciales para el buenfuncionamiento de los purgadores y su mxima efi-ciencia es una correcta instalacin. Una vez com-probado esto, hay que establecer, como objetivoprioritario, un mantenimiento adecuado del mismo.

Purgador de vaporCortesa de Spirax Sarco

A =

312

000.5558

Nm

kgao

h

h

kg = 232.500 Nm

3/ao 232.500 Nm

3/ao


28

Si Q es el caudal del vapor que se pierde por los purgadores, el ahorro ener-gtico por eliminar dicho defecto ser:

Donde:

Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h]

H = tiempo que est la fuga de vapor [h/ao]

X = Produccin especfica de vapor [kg vapor/ud combustible]

Ejemplo: Mantenimiento de los purgadores

Por los purgadores de una caldera de vapor de gas natural se ha estimado quese pierden 40 kg/h de vapor. La instalacin funciona 7.000 h/ao con una pro-duccin de vapor de 12 kg/Nm3.

El ahorro por eliminar las fugas de vapor ser:






EXPANSIN DEL CONDENSADO DE ALTA PRESIN Esta medida permite emplear el condensado de una utilizacin de vapor a alta

presin para producir ms vapor a una presin inferior que podr ser utilizadoen otro punto del proceso productivo.

Se trata de expansionar el condensado a alta presin en un tanque para gene-rar vapor y nuevos condensados a una presin inferior. Estos nuevos condensa-dos pueden ser expansionados nuevamente en otro tanque y as sucesivamente.

XHQA = [ud. combustible/ao]

A =

312

000.740

Nmkg

aoh

hkg

= 23.334 Nm3/aoA =

312

000.740

Nmkg

aoh

hkg

=

1Calderas

29

En los sucesivos expansionados habr que llegar a un acuerdo entre el ahorroproducido por la expansin y el coste de la instalacin de nuevos tanques.

Para obtener el ahorro energtico se realiza un balance de masa y calor en eltanque de expansin.

El ahorro producido por el calor recuperado del condensado sera:

Donde:

Ejemplo: Expansin del condensado en un tanque flash.

En una instalacin que emplea vapor generado en una caldera de gas naturalse tiene un caudal de condensados 450 kg/h a 15 kg/cm2. Se quiere expansionareste condensado para producir vapor flash a 4 kg/cm2.

La produccin de vapor ser:

Por lo tanto, el calor recuperado ser:

Q = 653,4 kcal/kg 50,23 kg/h = 32.824 kcal/h

Si la caldera funciona durante 7.500 h/ao, con un rendimiento medio del85%, el ahorro de combustible ser:

[ ][ ]ecombustibldeUdkcalPCI

aokcalQA./

/

=

Q = Calor recuperado del condensado = Rendimiento de la calderaPCI = Poder Calorfico Inferior del combustible

PV =

kg

kcal

kg

kcal

h

kg

7,1434,653

7,1436,200450

= 50,23 kg/h

A =

3000.985,0

500.7 32.824

Nm

kcalao

h

h

kcal

= 32.180 Nm

3/ao


30

que supondr un ahorro de:





RECUPERACIN DE CONDENSADOS A.Tanque de condensados atmosfrico

El calor del condensado se recupera en un intercambiador o en un tanqueflash, donde se obtiene vapor que se puede emplear en el proceso productivo oen el precalentamiento del agua de aporte a la caldera. El calor del condensa-

do del tanque flash se puede recuperar en un intercam-biador de placas.

Al introducir el agua en la caldera a una temperaturasuperior a la del agua de red se obtiene un incremento delrendimiento de la caldera, o lo que es lo mismo, un des-censo del consumo de combustible.

Como se conoce el rendimiento de la caldera se aplicala frmula directa para obtener la produccin especficade vapor [kg vapor/ud. combustible]

Depsito de condensados

Donde:

El ahorro de combustible sera:

PCIHH

X CV

=

= Rendimiento de la calderaX = Produccin especfica de vapor [kg vapor/ud. combustible] HV = Entalpa del vapor [kcal/kg] HC = Entalpa del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorfico inferior del combustible [kcal/ud. combustible]

F

IF

XXXA =

1Calderas

31

Donde:

XF = Produccin especfica de vapor despus de la mejora

XI = Produccin especfica del vapor antes de la mejora

Si la caldera consume C unidades de combustible al ao, el ahorro anual ser:A x C

B.Recuperacin de condensados a presin en instalaciones tipo circuitocerrado

Esta instalacin aprovecha el condensado a una presin intermedia entre lade utilizacin y la atmosfrica. Para ello, el tanque de alimentacin se encuen-tra presurizado y se utiliza una bomba de alimentacin a caldera capaz de tra-bajar a dicha presin.

El ahorro se calcula aplicando el mismo mtodo que A pero HC ser la ental-pa del condensado correspondiente.

C.Recuperacin de condensados a presin en instalaciones tipo circuitosemi-cerrado

Esta instalacin aprovecha el condensado a la presin de utilizacin expansio-nndolo en un tanque flash, produciendo vapor a baja presin que se utiliza enel proceso y el condensado resultante se introduce a la caldera a dicha presin,utilizando una bomba de alimentacin a caldera capaz de trabajar en dichascondiciones.

Para el clculo del ahorro:

- Por aumentar la temperatura del condensado, se utiliza el mismo mtodoque A.

- Por la produccin de vapor flash, se utiliza el mismo mtodo la recupera-cin del calor de purgas.

D. Instalacin de una Unidad de Recuperacin deCondensados (U.R.C.)

Una U.R.C es un conjunto formado por: Circuito en bucle conbomba de recirculacin, termocompresor, refrigerador deajuste, eliminador de aire y elementos de medida, capaz detomar el condensado de la propia lnea de condensados yenviarlo directamente a la caldera.

U.R.C. Cortesa de Valsteam Engineering


32

Este conjunto aporta las ventajas siguientes:

- Al enviar el condensado directamente a la caldera desaparecen las prdi-das por revaporizacin, con lo que hay un ahorro importante de combusti-ble.

- El hecho de no pasar por el depsito de condensados, tener toda la insta-lacin a presin y de existir una desaireacin continua, mejora el coeficien-te de transmisin en los aparatos consumidores de vapor, acorta los tiem-pos de calentamiento y mitiga la presencia de oxgeno en las conducciones,lo que reduce en gran medida las corrosiones de las mismas, evitando laadicin de hidracina u otros inhibidores de oxgeno.

- Todo el revaporizado es agua nueva a aportar, por lo que su desaparicinhace innecesaria dicha aportacin, reduciendo el consumo de agua y sucoste de tratamiento.

- Paralelamente, la menor adicin de agua nueva hace descender el ritmo deconcentracin de sales disueltas en el interior de la caldera, pudiendoespaciar las purgas de la misma con el consiguiente nuevo ahorro de aguay de combustible.

- En el caso de recuperacin total de condensados, la purga se hace terica-mente innecesaria y bastara una pequea purga cada dos das para mante-ner perfectamente la salinidad adecuada en la caldera.

Ejemplo: Precalentamiento agua de aporte a caldera mediante vaporflash del tanque de condensados atmosfrico.

Una fbrica de fibras textiles dispone de una caldera de gas natural quegenera 5 t/h de vapor saturado a 5 kg/cm2 para su proceso productivo. Trasemplear el vapor en el proceso, los condensados se introducen en un depsitoatmosfrico en el que se evacuan 230 kg/h de vapor flash.

Se pretende aprovechar el vapor flash para precalentar el agua de aporte acaldera, de 17 C hasta 41,8 C.

El rendimiento de la caldera es del 86%, y la produccin especfica de vapores de 12,11 kg/Nm3 de gas natural.

Precalentando el agua hasta 41,8 C, la nueva produccin de vapor en la cal-dera se calcula aplicando la siguiente frmula:

PCI

HHX CV

K

1Calderas

33

Por lo que:

Si el consumo anual de combustible es de 19.203.810 kWh(PCS)/ao, el aho-rro obtenido es de:





COGENERACIN CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESINPara instalaciones que precisen vapor a dife-

rentes niveles trmicos, se puede pensar en unsistema de cogeneracin con turbina de vapor acontrapresin.

En una caldera de vapor se genera vapor a altapresin. Parte de este vapor es enviado a proce-so y otra parte a una turbina de vapor. De estaturbina se pueden hacer extracciones a las pre-siones que se requiera que est el resto del vapordel proceso.

Turbina de vapor. Cortesa ELCOGAS

= Rendimiento de la caldera X = Produccin especfica de vapor [kg vapor/ud. combustible] HV = Entalpa del vapor [kcal/kg] HC = Entalpa del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorfico inferior del combustible [ kcal/ud. combustible]

30009

841656860

Nm/kcal.

kg/kcal,X,

o X = 12,6 kg/Nm3 gas natural

El ahorro obtenido ser: 612

1112612

,

,,A

= 3,9 %

( )


34

Ejemplo: Cogeneracin con turbina de vapor a contrapresin.

Una instalacin que funciona 7.000 h/ao requiere 5 t/h de vapor a 15kg/cm2, 3 t/h a 6 kg/cm2 y 3 t/h a 3 kg/cm2.

El vapor proveniente de una caldera de vapor de gas natural a 15 kg/cm2 selamina para alcanzar las presiones de trabajo requeridas.

Se propone instalar una turbina de vapor a contrapresin en la que se reali-zarn extracciones a las presiones de trabajo requeridas. El rendimiento mec-nico de la turbina es del 97,5%.

La instalacin quedara del siguiente modo:

La potencia aprovechada en la turbina, suponiendo un rendimiento isoentr-pico de 0,65, ser:

Esta potencia podr ser empleada en, por ejemplo, generacin de energaelctrica. Si el rendimiento del alternador es del 96% la generacin elctricaser:

P =

975,0

860

35,6288,666000.75,6348,666000.3

kWh

kcal

kg

kcal

h

kg

kg

kcal

h

kg

= 415 kW

E.E. = 96,0000.7415 aohkW = 2.788.800 kWh/ao

1Calderas

35

CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN VENTILADORES DECOMBUSTIN Y BOMBAS DE AGUA DE

ALIMENTACIN DE CALDERASFrecuentemente, los ventiladores y bombas de agua de

alimentacin estn muy sobredimensionados, funcionandouna gran parte del tiempo en condiciones muy por debajo delas nominales. Por este motivo, el cortatiros y la vlvulaempleados para la regulacin del caudal trabajan en posi-cin muy cerrada durante todo el tiempo.

En la regulacin de dichas variables, gran parte de lapotencia absorbida por los motores de accionamiento seemplea en compensar la prdida de carga producida en elcortatiros y la vlvula.

Convertidor de frecuencia.Cortesa de OMRON

La sustitucin de estos sistemas convencionales por sistemas que realizan laregulacin de caudal, en base a la variacin de velocidad de los motores elc-tricos de accionamiento por medio de conversores de frecuencia, evita esta pr-dida de energa.

Cuando el rgimen de trabajo de una caldera de produccin superior a 25 t/hvara frecuentemente, siendo durante mucho tiempo menor del nominal, el con-sumo de energa de los accionamientos del ventilador y de la bomba se puedereducir hasta un 70% y un 25%, respectivamente, de la energa consumida conlos sistemas de regulacin convencionales.

El pay-back de la inversin de este tipo de instalaciones se puede asegurarque, en la mayora de los casos, es menor de dos aos.

Ejemplo: Instalacin de un variador de velocidad para el ventilador de unacaldera

En el ventilador de una caldera de gas natural se han medido los siguientesparmetros:

% Carga Potencia

absorbida [kW] Caudal de aire

[kg/h]

100% 50 25.000

50% 30 11.500

15% 18 3.000


36

La caldera trabaja 7.500 h/ao:

- 5.000 h/ao lo hace a un 50% de carga

- 2.500 h/ao lo hace a un 15% de carga

Como el caudal es de la forma Q = K N, para la carga al 50% se puede rela-cionar:

Como la potencia es de la forma P = K N3, para la carga al 50% se puede rela-cionar:

Operando de la misma manera para una carga de 15%:

El ahorro de energa obtenible sera:

A. Energtico = 170.454 kWh/ao


Para un precio de la energa elctrica de 7,3 c/kWh se tiene un ahorro eco-nmico de:


174,2500.11

000.25

2

1

2

1

2

1 N

N

NK

NK

Q

Q

275,10174,2 32

1

3

2

1

3

2

3

1

2

1

P

P

N

N

N

N

P

P

kWPP

P866,4

275,10

50275,10 2

2

1

En el caudal 33,8000.3

000.25

3

1

3

1 N

N

Q

Q

En la potencia 33

3

3

1

3

1 33,8 N

N

P

P

Luego,

kWP 0865,033,8

5033

1Calderas

37

Ejemplo: Instalacin de un variador de velocidad para la bomba de ali-mentacin de caldera.

En la bomba de alimentacin de una caldera se han medido los parmetrossiguientes:

La caldera trabaja 7.500 h/ao:- 5.000 h/ao lo hace a un 50% de carga- 2.500 h/ao lo hace a un 10% de cargaEn base a la curva caracterstica de la bomba de agua de alimentacin de la

caldera se tiene:

La potencia absorbida en la situacin actual y teniendo en cuenta el variadorde velocidad, para caudales iguales:

% Carga Potencia absorbida

[kW]

50% 25

10% 20

Carga de la caldera 50%

Caudal de agua 15 m3/h

Actual H1 = 25 kg/cm2

Previsto (con variador de velocidad)

H2 = 15 kg/cm2

1

1

1

10

HQP =

2

2

2

10

HQP =

12

21

2

1

HH

PP

=

9,0

1

2=

,

12

2

167,09,0

15

25 PPPP

==

- Al 50% de carga:

P2 = 0,67 25 = 16,75 kW

- Al 10% de carga:

P3 = 0,67 20 = 13,4 kW


38

El ahorro de energa obtenible sera:

A. Energtico = 57.750 kWh/ao


Para un precio de la energa elctrica de 7,3 c/kWh se tiene un ahorro eco-nmico de:


SUSTITUCIN DE UNA CALDERA ELCTRICA POR CALDERA DEGAS NATURAL

Mediante esta propuesta de mejora se calcula el ahorroobtenido al sustituir las calderas elctricas de una fbricapor una caldera de gas natural.

Caldera de gas natural

Ejemplo: Sustitucin de calderas elctricas por calderas de gas natural

En una empresa textil se dispone de 23 calderas elctricas para calentar unfluido trmico (difenilo), que se demanda para el proceso productivo en esta-do lquido a (250 C y 2 3 kg/cm2) y en estado gaseoso (a 220 250 C y 0,5 0,6 kg/cm2).

La potencia total instalada en las calderas es de 847 kW, funcionando con ungrado de carga medio del 50%. Mediante el difenilo se obtiene energa trmi-ca a altas temperaturas que se precisa en diferentes puntos de consumo.

Se propone sustituir las calderas elctricas por una caldera de gas naturalque genere el fluido trmico a la mxima presin demandada, regulando latemperatura en cada punto de consumo mediante vlvulas reductoras de pre-sin y vlvulas de tres vas.

El consumo de las calderas elctricas, para un funcionamiento anual de 7.800h/ao, es:

847 kW 7.800 h/ao 0,5 = 3.303.300 kWh/ao = 826 tep/ao

1Calderas

39

El rendimiento de las calderas elctricas para un grado de carga medio del50% es del 85%, por lo que la energa trmica generada es de:

3.303.300 kWh/ao 0,85 = 2.807.805 kWh/ao

El consumo de la caldera de gas natural para producir esta energa trmicademandada, para un rendimiento de la caldera del 75%, es el siguiente:

2.807.805 kWh/ao / 0,75 / 0,9 = 4.159.711 kWh (PCS)/ao = 322 tep/ao

El ahorro energtico sera, por lo tanto de:

Ahorro energtico = 826 - 322 = 504 tep/ao

Ahorro econmico para un precio de energa elctrica de 7,8 c/kWh y gasnatural de 2,3 c/kWh:

A. Econmico = kWh

c

ao

kWh

kWh

c

ao

kWh 3,2711.159.4

8,7300.303.3 = 161.984 /ao

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Calderas