Curso Auditorías Energéticas · 2010-11-22 · CÁLCULO DEL RENDIMIENTO Balance de Energía POR EL MÉTODO DE PÉRDIDAS Análisis de un Caso Generación de Vapor Calcular el rendimiento

AUDITORÍAS ENERGÉTICAS

CURSO:

Sesión 6 de 8

Auditorías Energéticas

Instructor: Ramón Rosas [email protected]

Noviembre 8 a 24 / 2010

1Diapositiva:

PROGRAMA

Sesión 6. (Lunes 22 de Noviembre)

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6. AUDITORÍA ENERGÉTICA TÉRMICA

6.1 Auditoría energética al sistema de generaciónde vapor

6.2 Auditoría energética al sistema de distribuciónde vapor

Sesión 6 de 8


Auditoría energética al sistema de generación

de vapor

Sesión 6 de 8


3Diapositiva:

4Diapositiva:

Sesión 6 de 8

Auditorías EnergéticasGeneración de Vapor

Balance de Materia y Energía

Agua de Alimentación

AireCombustible

Gases de combustión

Vapor

Purgas

Pérdidas de calor por la envolvente

Caldera

Combustible no Quemado+

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Balance de Energía

ENTRADAS FLUJO MASICO ENERGÍA ENTRANTE

Combustible F F x PCIh

Aire Wai Wai x Cpai x tai

Agua Wa Wa x ha

Generación de Vapor


AireCombustible


Vapor

Purgas


Caldera

Combustible no quemado

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Balance de Energía


AireCombustible


Vapor

Purgas


Caldera

Combustible no quemado

SALIDAS FLUJO MASICO ENERGÍA SALIENTE

Vapor Wv Wv x hv

Gases Wg Wg x Cpg x tg

Purgas Wp Wp x hp

Pérdidas P


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Balance de Energía

Pérdidas para los combustibles líquidos o gaseosos son las siguientes:¨ Pérdidas debidas a la humedad en el combustible.¨ Pérdidas debidas a la humedad en el aire.¨ Pérdidas debidas al calor en el vapor de atomización¨ Pérdidas en el combustible no quemado, que sale en los gases

de combustión (hollín).¨ Pérdidas por radiación y convección en superficie exteriores.

Para combustibles sólidos son aplicables las pérdidas anteriores más las siguientes:

¨ Pérdidas por carbón inquemado.¨ Pérdidas por calor sensible en escorias.¨ Pérdidas por calor sensibles en polvos de los gases.¨ Pérdidas por calor en reinyectados pulverizados.


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Sesión 6 de 8


Balance de Energía

De los cuadros anteriores y haciendo igual las energías entrantes a lassalientes se tiene:

(F·PCIh) + (Wai · Cpai · tai) + (Wa · ha) =(Wv · hv) + (Wg · Cpg · tg ) + Wp · hp) + P

Como: Wp = Wa – Wv,

rearreglando se tiene:

F·PCIh = Wv (hv – hp) + Wa (hp – ha) + Wg · Cpg · tg - Wai · Cpai · Tai + P


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Balance de Energía

Pérdidas por Radiación e Indeterminados

1.8%Pérdidas por Gases de Combustión

12.2%

3.5%

Pérdidas por Purgas

Energía Útil82.5 %

Energía de Entrada100 %


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Balance de EnergíaCÁLCULO DEL RENDIMIENTO POR EL MÉTODO DIRECTO

Se mide la cantidad total de vapor producido, su temperatura ypresión, así como la cantidad de combustible consumido.Conocido el (PCI)h de dicho combustible, determinar el calor Qque suministra.

A partir de estos datos medidos unos y tabulados otros, seobtiene el rendimiento (E) por medio de las fórmulas siguientes:

Q = F · (PCI)h

η = Wv ·(hv – ha) / Q


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Análisis de un Caso

Calcular el rendimiento de una caldera por el métododirecto, cuyas entradas y salidas son las siguientes:

Entrada de combustible: F = 160 m3/h

PCI = 9,540 Kcal/m3

Entrada de agua: Ta = 88 ºC

Salida de Vapor Wv = 1.91 Ton/h

Pv = 10 kg/cm2


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Calor suministrado por el combustible:

Qc = F x PCI

= 160 m3/h x 9,540 kcal/m3

= 1’526,400 kcal/h


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Calor ganado por el vapor:

Qv = Wv x (hv - ha)

= 1,910 kg/h x (662.85 - 87.74) kcal/kg

= 1’098,460 kcal/h

Donde: hv (entalpía de vapor a 10 kg/cm2) = 662.85 kcal/kg

ha (entalpía del agua a 88 °C) = 87.74 kcal/kg


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Eficiencia:

η = Qv / Qc

= 1’098,460 kcal/h / 1’526,400 kcal/h

= 0.7196

= 71.96 %


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Balance de EnergíaCÁLCULO DEL RENDIMIENTO POR EL MÉTODO DE PÉRDIDAS


1. Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión.

P1 = GFH · Cpg (tg – tai) 100/(PCI)h

Donde: P1 = Pérdidas por calor sensible en los gases(%)

Wg = Caudal de gases totales (kg gases/kg comb.)

CPg = Calor específico medio de los gases (kcal/kg. ºC)

tg = Temperatura de los gases a la salida (ºC)

tai = Temperatura del aire a la entrada (ºC)

(PCI)h = Poder calorífico inferior húmedo del combustible (kcal/kg).

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2. Pérdidas por inquemados

Una expresión semiempírica que funciona bastante bien para loscombustibles líquidos y gaseosos industriales es la siguiente:

P2 = 21 (CO) + (CH ) + OP21- (O2) 3100 1000 65

Donde:P2 = Pérdida por inquemados, % sobre el (PCI)h

(O2) = Contenido de O2 en los gases, %(CO) = Concentración de CO en los gases, ppm(CH) = Concentración de CH en los gases, ppmOP = Opacidad de los gases, %

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3. Pérdidas por radiación y otros.

Su medición en campo es complicada y por lo

general se aproximan a través de gráficos como

el siguiente.

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0.33

0.68

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Calcular el rendimiento de una caldera de 3,000 kW de capacidad

(1 kW = 3,412.2 Btu/h), trabajando al 75% de su capacidad, por el método delas pérdidas, considerando los siguientes datos de operación:

GFH = 19.5 kg de gases / kg de comb.CPg = 0.242 kcal/kg-ºCTg = 240 ºCTa = 30 ºCPCI = 9,800 kcal/kgContenido de los gases: O2 = 4.5 %

CO = 1,360 ppmCH = 220 ppm

Opacidad: OP = 35 %

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1. Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión.

P1 = GFH x Cpg (tg – tai) 100/(PCI)h

= 19.5 x 0.242 x (240 – 30) x 100 / 9,800

= 10.11%

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2. Pérdidas por inquemados

P2 = 21 (CO) + (CH ) + OP21- (O2) 3100 1000 65

= 21 1360 + 220 + 35(21- 4.5) 3100 1000 65

= ( 1.21 ) x ( 0.439 + 0.220 + 0.538 )

= 1.45 %

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3. Pérdidas por radiación y otros.

Capacidad nominal = 3,000 kW x 3,412.2 Btu/kW-h

= 10,236,600 Btu/h

Operando al 75% = 7,677,450 Btu/h

De la carta de pérdidas: P3 = 2.25

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Auditorías EnergéticasGeneración de Vapor

2.25

CÁLCULO DEL RENDIMIENTO POR EL MÉTODO DE PÉRDIDAS


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Pérdidas totales:

P = P1 + P2 + P3

= 10.11 + 1.45 + 2.25

= 13.81

Eficiencia de la caldera:

η = 100 – P

= 100 – 13.81

= 86.19 %

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ÁREAS DE OPORTUNIDAD DE AHORRO


Superficies de intercambio

Lado HumosEn las superficies externas de los tubos de las calderasacuatubulares e internas de calderas pirotubulares, al igual queen los recuperadores de calor, se producen depósitos de hollinesque recubren las superficies de los tubos, creando una películacuyo coeficiente de transmisión de calor es pequeño, de tal formaque diSminuye el coeficiente de transmisión total.

Medida de Ahorro:

Mantener limpias estas superficies

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Medida de Ahorro:

Mantener el contenido de sólidos en los niveles más bajos posibles

Lado AguaCuando no es adecuada la calidad del agua de alimentación ala caldera, se forman incrustaciones en las superficiesinteriores de los tubos en las calderas acuatubulares o en elexterior de los tubos en los pirotubulares. Estas incrustacionescrean igualmente una película cuyo coeficiente de transmisiónde calores es pequeño, de tal forma que disminuye elcoeficiente de transmisión total.

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0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3

espesor de la incrustación (mm)

Calor transmitido con incrustaciónCalor transmitido sin incrustación

Incrustaciones

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Recuperación de calor de los gases de combustión

La recuperación del calor sensible de los gases a la salida de las calderasse realiza principalmente por medio de economizadores y calentadores deaire.

El rendimiento mejora extraordinariamente si el agua de alimentacióno el aire de combustión son capases de recuperar la mayor parte de estecalor. Históricamente cuando dicho calor era absorbido por el agua dealimentación, el equipo usado para el intercambio de calor fue llamadoeconomizador ya que mejora la economía en el uso de combustible.

También se encontró la forma de recuperar parte de este caloraumentando la temperatura de aire de combustión mediante loscalentadores de aire. Una aproximación de cuantificación de ahorroenergético en calderas es que la disminución de 20°C en la temperatura desalida de gases, supone aproximadamente un aumento del 1% en laeficiencia.

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Economizadores

Los economizadores están compuestosbásicamente, por un haz de tubos agrupadosconvenientemente. Por el interior de los tubos circulael agua a calentar, mientras que los gases de lacombustión bañan su superficie exterior.

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EconomizadoresLa reducción de la temperatura de los gases presenta lassiguientes limitaciones:1. El contenido de azufre en el combustible Si la temperatura de los

gases cae por debajo del punto de rocío ácido, parte del vapor deagua condensa y reacciona con el SO2 formándose SO4 H2 queocasiona corrosiones en las superficies de intercambio.

2. Debe disponerse de una elevada diferencia de temperaturas entre losgases y el fluido, para no requerir de excesivas superficies decalefacción.

3. La temperatura de los gases, en las capas cercanas al exterior de lasuperficie de intercambio deberá ser próxima a la del fluido delintercambiador. Si esta es baja se corre el peligro de alcanzar el puntode rocío ácido, en especial en el punto de entrada del fluido frío.

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Economizadores

Para economizadores del tipo convencional el límite detemperatura a bajar en los gases es de:

Gas Natural 120 °CGasóleo 150 °C

Combustóleo 175 °C

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Calentadores de Aire

Otra forma de recuperar el calor sensible de los gases, se producemediante el uso de calentadores de aire, cuya misión es aumentar latemperatura del aire de combustión, por lo tanto son elementos querecuperan parte del calor sensible de los gases de combustión y loañaden al aire requerido para la combustión del combustible. –

La eficiencia de un intercambiador depende, fundamentalmente de lossiguientes factores:

• Del gradiente térmico o diferencia de temperaturas entre los fluidos acalentar y a enfriar y del coeficiente global de transmisión de calor.

• El mejor intercambio de calor se logra entre líquidos.

• El segundo mejor intercambio se logra entre líquidos y gases.

• Por último, el peor intercambio de calor es el correspondiente a gas.

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Calentadores de Aire

Cuando se utilizan calentadores de aire se producen los siguientesefectos:

1º Se reducen las pérdidas de calor en los gases de combustión.Aproximadamente por cada 20°C de reducción en la temperaturade dichos gases se obtiene un 1% de ahorro de combustible.

2º Se aumenta la temperatura de la llama en la zona de combustión.

3º Se reducen los excesos de aire.

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Recuperación de calor de purgas de calderas

La purga de la caldera se realiza extrayendo agua del domo otanque, la cual tiene una alta concentración en sólidos disueltos yen suspensión, e introduciendo agua de alimentación de muy bajaconcentración.

Indudablemente, hay que buscar un punto de compromiso entre elflujo de la purga y los problemas asociados a los sólidos disueltos,ya que una purga insuficiente provocaría el arrastre de sólidos porel vapor y una purga excesiva produciría pérdidas de energíaelevadas.

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Recuperación del Calor de las Purgas de Caldera

Control Automático de las Purgas

En caso de calderas de gran tamaño, y si los costos delcombustible y del agua lo justifican, se puede considerar uncontrol automático de la purga, incluyendo una medición de laconcentración adentro de la caldera, que manda la abertura deuna válvula de eliminación del agua.

Sin embargo, tal equipo puede ir descalabrando, así que nopermite suprimir los controles de la calidad del agua de la calderapor el laboratorio.


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Recuperación del Calor de las Purgas de Caldera

Recuperación del Calor de Purgas

Uno de los procedimientos mas usados para la recuperación de calor depurgas, consiste en la recuperación del vapor flash. El proceso consiste enhacer entrar el agua de purgas en un tanque de expansión, donde aldisminuir la presión se produce vapor flash. Este vapor se suele introduciren el depósito de agua de alimentación, calentándola y favoreciendo ladesgasificación de la misma. Este sistema puede recuperar hasta el 60%del calor de purgas.

Otro proceso consistiría en el aprovechamiento del calor de las purgas enun intercambiador de calor, para calentar algún fluido, tal como el agua dealimentación, el combustible, o algún otro fluido del proceso.


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Control de la combustión

Para determinar el ahorro por ajuste de la combustión esnecesario determinar la eficiencia de la combustión de la calderaantes (h) y después (h`) del ajuste en la combustión.

El ahorro será A = ( h - h` ) / h

Las acciones a realizar para ajustar la combustión pueden ser:

a) Ajustar la combustión en forma manual, reduciendo el excesode aire.

b) Reemplazar los quemadores.

c) Instalar controles de combustión.

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Control de la combustiónReducción del Exceso de Aire

En los procesos de combustión el exceso de aire se define comoel aire introducido por encima del estequiométrico o teóricorequerido para lograr la completa combustión del combustible

Existe un nivel óptimo de operación con exceso de aire para cadacombustible, este es solo el suficiente para completar lacombustión, ya que un incremento en este valor solo ocasionaráque se este utilizando combustible para calentar aire que seenvía a la atmósfera, ocasionando un excesivo consumo decombustible.

En ocasiones por cuestiones de seguridad no se pueden lograrestos valores, debido al mal estado en que se encuentran losquemadores, por lo que es recomendable consultar con elfabricante.

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MEDIDAS DE AHORRO


NoÁrea de

Oportunidadde Ahorro

Medida deAhorro

1 Calor perdido porpurgas enCalderas

1.1.- Reducción del gasto de purga

1.2.- Evaluar la calidad del agua de repuesto.

1.3.- Mejorar los sistemas de tratamiento de agua.

1.4.- Recuperar el calor de la purga continua

1.5.- Incrementar el retorno de condensados

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MEDIDAS DE AHORRO


NoÁrea de


Medida deAhorro

2 Pérdidas en el generador de Vapor

2.1.- Optimización de la combustión2.2.- Reducir el exceso de aire2.3.- Precalentar el combustible2.4.- Sustitución por quemadores

de bajo exceso de aire2.5.- Instalación de equipo de

recuperación de calor: (economizador o precalentador de aire).

2.6.- Sustitución del generador de vapor.

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MEDIDAS DE AHORRO


NoÁrea de


Medida deAhorro

3 3.1.- Sustitución o complementación

3.2.- Control de la recepción: (manejo, almacenamiento)

3.3.- Aditivos, secado, calentado y atomizado.

Combustible

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MEDIDAS DE AHORRO


NoÁrea de


Medida deAhorro

4 4.1.- Precalentamiento de agua y aire

4.2.- Revisar tiros forzados e inducidos

4.3.- Revisar transferencia de calor a tubos de agua

4.4.- Verificar espesor de fluxes


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MEDIDAS DE AHORRO


NoÁrea de


Medida deAhorro

5 5.1.- Instalar turbobombas parael agua de alimentación5.2.- Evaluar el retorno decondensados: (contaminación,porcentaje y temperatura).5.3.- Inyectar directamente a lacaldera los condensados de muyalta temperatura.5.4.- Evaluar la presión debombas de agua de alimentación

Agua de alimentación y condensados

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MEDIDAS DE AHORRO


NoÁrea de


Medida deAhorro

6 6.1.- Calibración omodernización de losinstrumentos.6.2.- Automatización del sistemade control: (control distribuido ocontrol remoto)6.3.- Control de velocidad enbombas y ventiladores6.4.- Dotar con analizadores degases y otros instrumentos.6.5.- Corrección por oxígeno6.6.- Corrección por CO

Instrumentación y control

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MEDIDAS DE AHORRO


No Área de Oportunidadde Ahorro

Medida deAhorro

7 Planeación 7.1.- Repartir la carga segúnpuntos de mayor eficiencia

8 Selección decombustibley aditivos

8.1.- Seleccione los combustiblesmás rentables.

8.2.- Utilice aditivos para combustibles líquidos.

9 Capacitación 9.1.- Capacitación del personalpara la operación ymantenimiento eficiente delos generadores devapor, así como en técnicasde ahorro de energía.

10 Mantenimiento

10.1.- Establezca un programade mantenimientopreventivo y predictivo.

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MEDIDAS DE AHORRO



Medida deAhorro

11 Equiposauxiliares operiféricos

11.1.- Compuerta y capuchonespara viento en chimenea

11.2.- Deflector de viento enventilas de cuarto calderas

11.3.- Instalación de quemadoresa atomización con vapor oaire.

11.4.- Instalación de quemadoresduales

11.5.- Instalación de sopladoresde hollín.

11.6.- Mejorar las condiciones delretorno de condensados.

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MEDIDAS DE AHORRO



Medida deAhorro

12 Contabilidadenergética

12.1.- Establecer los costos deproducción de vapor.

12.2.- Determinar el consumoespecífico de combustibley analizar sus variacionescon el tiempo.

12.3.- Determinar la eficiencia deoperación

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MEDIDAS DE AHORROAnálisis de un caso.-


Optimizar la distribución de la carga en las tres calderas

La empresa cuenta con tres calderas y por razones decontinuidad en el servicio, requieren mantener las 3 calderasen operación.

La producción de vapor promedio del conjunto es de 109.61m3/h, con muy pocas variaciones.

Se trata de calcular los ahorros a obtenerse mediante laoptimización de la operación de las calderas.

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Situación observada:

Wv Generación de vapor = 109.61 Ton/h

Wc Gasto de combustible = 9,485.12 m3/h

Cc Costo del combustible = 0.084 USD/ m3

Hop Horas de operación anual = 8,760 hrs/año

h Eficiencia global = 79.64 %

Antecedentes: La carga de cada una de las calderas es repartida sinaplicar un criterio de optimización energética en su operación.

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CALDERA Generación de vapor (Ton/h)

Eficiencia (%)

CV-1001 42.95 81.48 CV-1002 37.37 78.20 CV-1003 29.29 78.80 Global 109.61 79.64

Las condiciones típicas de operación de las calderas son las siguientes:

51Diapositiva:

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50

55

60

65

70

75

80

85

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Efic

ienc

ia (

%)

Carga (%)

Eficiencia de caldera CV-001


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50

55

60

65

70

75

80

85

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Efic

ienc

ia (

%)

Carga (%)



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50

55

60

65

70

75

80

85

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Efic

ienc

ia (

%)

Carga (%)



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PROPUESTA: Redistribuir la carga entre las tres calderas,de manera tal que la eficiencia combinada sea mayor, talcomo se indica en la tabla siguiente:

CALDERA Generación de vapor (Ton/h)

Eficiencia (%)

CV-1001 34.00 82.30 CV-1002 35.61 78.00 CV-1003 40.00 81.00 Global 109.61 80.42

Ahorro = 0.98%

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Consumo: 9,485.12 m3/h

Costo unitario: 0.084 USD / m3

Importe de la facturación: 6,979,531 USD/año

Ahorro: 0.98%

68,399 USD/año

Auditoría energética al sistema de distribución

de vapor

Sesión 6 de 8


56Diapositiva:

TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓN• Transferencia de calor en tuberías• Aislamiento térmico

TRAMPAS DE VAPOR• Características de las trampas para vapor• Fallas de las trampas para vapor

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57Diapositiva:

Distribución de Vapor

TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓNTransferencia de calor en tuberías

• Convección entre el vapor y la paredinterior de la tubería

• Conducción a través de la pared de latubería y recubrimiento (usualmentematerial aislante)

• Convección entre la superficie exteriordel recubrimiento de la tubería y el medioque la rodea

En una tubería de distribución de vapor, existen tres procesos de transferencia de calor:

Vapor

Pared del tubo

Material aislante

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58Diapositiva:



La expresión matemática del calor transferido por el vapordentro de una tubería aislada, al medio ambiente es lasiguiente:

Q = Tv -Ta Rt

Donde:Q: es el calor transferido (kcal/h)Tv: es la temperatura del vapor (°C)Ta: es la temperatura en el exterior del tubo (°C)Rt: es la resistencia térmica de la pared

Tv

Ta

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59Diapositiva:



1 ln(r/ri) ln(re/r) 1 Rt = hi Ai + 2 p kt L + 2 p ka L + he Ae

Convección con el vapor

Conducción a través de la tubería

Conducción a través del aislante

Convección con el exterior

rre

ri

Donde:hi: es el coeficiente de convección vapor-paredhe: es el coeficiente de convección pared-airekt: es la conductividad térmica del tuboka: es la conductividad térmica del aislanteAi: es el área interior de la pared del tuboAe: es el área exterior de la pared del aislanteri: es el radio interior del tubor: es el radio exterior del tubore: es el radio exterior del aislante L: es la longitud total del tubo

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60Diapositiva:


TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓNTransferencia de calor en tuberías.- Ejemplo de aplicación

Una tubería de distribución de vapor de 180 metros de longitud,conduce vapor saturado a 10 kg/cm2. La tubería tiene un diámetrointerior de 202 mm, y un diámetro exterior de 210 mm, y está cubiertacon un aislante de fibra de vidrio de 2 ½” de espesor. Determine laspérdidas de calor anuales, considerando los siguientes datos:

Temperatura ambiente promedio anual: ta = 28 ºCCoeficiente interior de transferencia de calor: hi = 146.200 kcal/h-m2-ºCCoeficiente exterior de transferencia de calor: he = 10.320 kcal/h-m2-ºCConductividad térmica del acero: kt = 40.423 kcal/hr-m-ºCConductividad térmica del aislante: ka = 0.034 kcal/hr-m-ºC

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61Diapositiva:



Datos

Temperatura ambiente promedio anual Ta = 28 °CTemperatura del vapor @ 10 kg/cm2 Tv = 179.5 °CCoeficiente interior de transferencia de calor hi = 146.20 kcal/h-m2-°CCoeficiente exterior de transferencia de calor he = 10.32 kcal/h-m2-°CConductividad térmica del acero kt = 40.42 kcal/h-m-°CConductividad térmica del aislante ka = 0.034 kcal/h-m-°CRadio interir del tubo ri= 0.101 mRadio exterior del tubo r = 0.105 mRadio exterior del aislamiento re = 0.1685 mLungitud del tubo L = 180 m2Área interior del tubo Ai = 5.77 m2Área exterior del aislamiento Ae = 16.06 m2

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62Diapositiva:


1 ln(r/ri) ln(re/r) 1 Rt = hi Ai + 2 p kt L + 2 p ka L + he Ae

Convección con el vapor

Conducción a través de la tubería

Conducción a través del aislante

Convección con el exterior


Rt = 1 + ln (0.105 / 0.101) + ln (0.1685 / 0.105) + 1(146.20 x 5.77) 2 π (40.42 x 180) 2 π (0.034 x 180) (10.320x 16.06)

Rt = 0.01287 h-°C / kcal

Cálculo de la resistencia térmica

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63Diapositiva:



Q = ∆ T = (179.5 – 28) = 11,772 kcal/hRt 0.01287

Q = 11,772 kcal/h x 3.968 Btu/kcal x 8760 h/año

Q = 409.2 MMBtu / año

Cálculo del calor perdido por la pared

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64Diapositiva:


TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓNTransferencia de calor en tuberías.-

¿ Cómo convertir las pérdidas de calor en la tubería en pérdidas equivalentes de combustible y dinero ?

Por medio de la eficiencia del generador de vapor

Generador de vaporCombustible

Vapor

Pérdidasηc = Calor ganado por el vapor

Calor suministrado por el combustible

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65Diapositiva:



¿ Cómo convertir las pérdidas de calor en la tubería en pérdidas equivalentes de combustible y dinero ?

ηc

Pérdidas de calor ganado en el vaporPérdida de combustible

Pérdida económica = Pérdida de

combustibleCosto del

combustibleX

=

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0.8409.2 MMBtu/año

Pérdida de combustible =

Del ejemplo anterior, si: ηc = 0.8

costo del gas = 8 USD/MMBtu

= 511.5 MMBtu/año

Pérdida económica = 511.5 MMBtu/año 8 USD/MMBtuX

= 4,092 USD/año Pérdida económica

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67Diapositiva:



0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

USD

/año

Espesor del aislamiento (pulgadas)

Pérdidas de calor en la tubería de vapor en función del espesor del aislamiento

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TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓNAislamientos.-

Para reducir las pérdidas de calor, existen muchos tipos deaislantes con propiedades y rangos de temperatura diferentes, loque ocasiona que los costos varíen ampliamente, razón por locual es necesario que antes de seleccionar un aislante seconsideren los siguientes puntos:

• Propiedades térmicas del aislamiento a la temperatura deoperación.

• Propiedades mecánicas y susceptibles a peligros mecánicos.• Resistencia al fuego.• Resistencia al agua, químicos, aceite y otros materiales.• Costo de compra y costo de instalación.

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MATERIAL FORMA MAX-TEMPERATURA º C

CONDUCTIVIDAD W/m º C

Fibra de Vidrio Laminas de Fibra 510 0.048 (1)

Magnesia al 85%Laminas

Preformadas 310 0.058 (1)Silicato de calcio LA Laminas 650-1,100 0.061 (1)Silicato de calcio LA Laminas 650-1,101 0.085 (2)Fibra mineral (roca) Sacos completos 760-950 0.054 (1)Fibra Silica Sacos completos 980 0.063 (2)Isocianurato Espuma 145 0.024 (3)Polihuretano Espuma Rígida 100 0.024 (3)

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Características de Algunos Aislantes y Sus Aplicaciones

Tipos de Aislamientos

Margen de Temperatura

º C

Conduct. (Kcal/h ºC

m2/ m) Densidad (Kg/ m3) Aplicación

Espuma Uretano 167 a 107 0.014 a 0.018 33 Depósitos y Recipientes

Mantas de Fibra de Vidrio 167 a 232 0.022 a 0.076 10 a 50

Enfriadote, depósitos (calientes y frios), equipos procesadores

Hojas elastomericas 40 a 104 0.032 a 0.034 7,5 a 100 Depósitos y enfriadores

Planchas de Fibra de Vidrio ambiente 0.029 a 0.045 27 a 100

Calderas a, Depósitos y enfriadores

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º C


m2/ m)

Densidad (Kg/ m3) Aplicación

Planchas y Bloques de Silicato calcico 232 a 650 0.028 a 0.075 100 a 170

Forros de calderas, cajas de humos y chimeneas

Bloques de Fibra mineral hasta 1.030 0.046 a 0.114 385 calderas y depósitos

Bloques de vidrio celular 212 a 260 0.025 a 0.095 115 a 4160 depósitos y tuberías Mantas envolventes de fibra de vidrio 84 a 285 0.19 a 0.068 10 a 50

tuberías y accesorios para ellas

Piezas prefabricadas de fibra de vidrio 51 a 230 0.28 a 0.048 10 a 50

tuberías calientes y frias

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º C



Membranas de fibra de vidrio 100 a 370 0.026 a 0.048 10 a 50

tuberías y accesorios para ellas

Piezas prefabricadas y cintas elastomericas

40 a 104 0.032 a 0.034 75 a 100 tuberías y accesorios para ellas

Camisa de fibra de vidrio con barrera de vapor

28 a 65 0.025 a 0.040 11 a 34

líneas refrigerantes, líneas para temperatura doble, lineas de agua enfriada, tuberías de combustoleo.

Camisa de Fibra de Vid. Sin barrera de vap. hasta 260 0.025 a 0.040 25 a 50 tuberías calientes. Bloques y planchas de vidrio celular 21 a 65 0.014 a 0.018 115 a 160 tuberías calientes

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º C



Bloques y planchas de espuma de uretano 93 a 150 0.030 a 0.08 25 a 67 tuberías calientes Piezas prefabricadas de fibra mineral hasta 650 0.030 a 0.08 134 a 165 tuberías calientes Mantas de Fibra mineral hasta 760 0.033 a 0.711 134 tuberías calientes Fibras de vid. camisas de aplicación en obra para líneas al aire libre

208 a 426 0.026 a 0.070 40 a 100 tuberías calientes

Bloques de lana mineral 454 a 980 0.45 a 0.0114 184 a 260 tuberías calientes Bloques de silicato calcico 650 a 980 0.042 a 0.091 165 a 230 tuberías calientes

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TRAMPAS PARA VAPOR

Características de las trampas para vapor

Las tuberías de distribución de vapor deben ser drenadaseficientemente. Eso es, se les debe sacar el condensadoque se forma derivado de las pérdidas de calor.

Una trampa de vapor es una válvula automática cuyamisión es descargar condensado sin permitir que escapevapor vivo.

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TRAMPAS DE VAPOR

Cálculo del volumen de condensado

El volumen de condensado que se forme en un sistema,dependerá de las pérdidas de calor que se tengan, asícomo de la entalpía de evaporación

Wc = Q / hfg

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76Diapositiva:


TRAMPAS DE VAPOR

Cálculo del volumen de condensado

Para el caso del ejemplo anterior:

Q = 12,310 kcal/hhfh = 481.8 kcal/kg

Wc = Q / hfg

= 12,310 / 481.8 = 25.55 kg/h

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TRAMPAS DE VAPORTipos de Trampas

Termostáticas (diferencia de temperatura): La trampatermostática es sensible a la temperatura y opera basándose enuna diferencia de temperatura, entre el vapor y el condensado.

Mecánica (diferencia de densidades): La operación de estatrampa se basa en la diferencia de densidades del vapor y delcondensado. Un flotador o cubeta sube en la presencia decondensado y baja cuando únicamente hay vapor.

Termodinámica (cambios de estado): Estas incluyen las trampastermodinámicas del tipo de impulso y de laberinto, y aún las deplaca de orificio simple.

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TRAMPAS DE VAPORFallas en trampas de vapor

1. Falla en la posición cerrada, es usualmente notable por el pobrecomportamiento del equipo debido a inundaciones con condensado.Esta clase de falla pasa desapercibida en las tuberías de vapor.

2. Fallas en la posición abierta causan pérdidas de vapor vivo. Lastrampas frecuentemente descargan dentro de unos sistema de retornode condensados y el vapor vivo que sale por el tanque dealmacenamiento puede indicar problemas, no obstante es difícil localizarla trampa defectuosa.

3. La operación deficiente es la falla más común, pero también la másdifícil de identificar y localizar; el resultado es la pérdida de vapor ypuede ser causada por numerosas razones específicas a cada tipo detrampa, los ejemplos son; cierre incompleto de válvulas, cierre lento enrespuesta al vapor etc.

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Análisis de un caso

Auditoría Energética al Sistema de Generación y Distribución de

Vapor de una Industria Textil

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Identificación CB-1 CB-2 CB-3 CB-4Capacidad 150 CC 500 CC 500 CC 700 CCMarca Cleaver Brook Cleaver Brook Cleaver Brook Cleaver BrookModelo CB.600.150 CB.600.500 CB.600.500 CB.400.700No. Serie MX-5050 MX-5081 MX-5082 MX-3529CBPresión 10.5 kg/cm2 10.5 kg/cm2 10.5 kg/cm2Fecha de construcción 30/05/1987 31/07/1987 31/07/1987 9/04/1979

Combustible Combustóleo Combustóleo Combustóleo Petróleo-Gas

Descripción:

La planta cuenta con 4 generadores de vapor, cuyos datos de placa sepresentan en la tabla siguiente

Las cuatro calderas se observan en malas condiciones físicas exteriores.Las chimeneas se encuentran completamente rotas y el aislamiento delcuerpo de las calderas degradado, por lo que se puede inferir que pordentro se encuentra también en malas condiciones.

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81Diapositiva:


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82Diapositiva:


Parámetro Caldera: CB-1Carga 60% 80%Presión combustible al quemador 4.2 4.3Presión atomización al quemador 2 2presión de Vapor 6 3.8Temperatura del combustoleo 110 105Temperatura ambiente 25 21O2 % 3.3 4.8CO ppm 0 10CO2 % 13.39 12.8SO3 mg/m3 75 86Exceso de aire 18.7 30Temp. De Gases 235 266.9Opacidad 3 2.5

Análisis de la combustión:

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Parámetro Caldera: CB-2Carga 50% 80% 100%Presión combustible al quemador 2.7 2.8 6.6Presión atomización al quemador 1.6 2.3 1.6presión de Vapor 5.6 5.2 3.4Temperatura del combustoleo 119 118 108Temperatura ambiente 24 23 21O2 % 6.15 3.6 9CO ppm 3 1500 9CO2 % 11.2 13.15 9.5SO3 mg/m3 87 75 86Exceso de aire 41.6 19.75 76Temp. De Gases 220 263 237Opacidad 2.5 9 1

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Parámetro Caldera: CB-4Carga 30% 70% 100%Presión combustible al quemador 4 5.6 5Presión atomización al quemador 1.6 2 1.2presión de Vapor 6.4 6.3 3.5Temperatura del combustoleo 100 110 96Temperatura ambiente 25 24 20.6O2 % 4 2.86 3.5CO ppm 5 1400 2CO2 % 13.2 13.41 13.9SO3 mg/m3 35 35 86Exceso de aire 25 19.75 19.9Temp. De Gases 190 215 171.5Opacidad 2.5 3.5 3.5

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85Diapositiva:


Análisis de exceso de aire y temperatura de losgases de salida.

La combustión óptima del combustoleo se obtiene con excesosde aire entre 10 y 15%, y una temperatura de los gases dechimenea de 200 °C, si el contenido de azufre supera el 2.5%, yde 175 °C se el contenido de azufre es menor al 2.5%.

Caldera Carga (%)

Exceso de Aire

(%)

Temp. Gases (°C)

CO (ppm)

Observaciones

Exceso de Aire Temperatura de Gases

Concentración de CO

CB-1 80 86% 267 10Muy por encima del máximo recomendado

Muy por encima del recomendado

Baja como resultado del alto exceso de aire

CB-2 80 20% 263 1500Ligeramente por encima del máximo recomendado

Muy por encima del recomendado

Ligeramente alto, dado el exceso de aire

CB-4 70 20% 215 1400Ligeramente por encima del máximo recomendado

Ligeramente por encima del recomendado

Ligeramente alto, dado el exceso de aire

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86Diapositiva:


Pérdidas de combustión.

Parámetro CB-150 CB-500 CB-700Pérdidas por gases secos de chimenea 10.6395 11.1485 8.9095Pérdidas por inquemados 0.0540 0.7511 0.5852Pérdidas por formación de vapor de agua 8.9954 8.9700 8.6696

Pérdidas debidas a la humedad del combustible y a la humedad del aire suministrado ( no calculadas)

2.5000 2.5000 2.5000

Total de pérdidas en la combustión 22.1889 23.3696 20.6642

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87Diapositiva:


Pérdidas por la envolvente

CB-1 Área (m2)

Temp. pared (°C)

Temp. aire (°C)

Pérdidas CombustóleoConvección

(kcal/h)Radiación

(kcal/h)Total

(kcal/h) kcal/sem lt/sem

Tapa Frontal 2.1 42 24 626.21 629.28 1,255.49 221,420.85 22.83

Tapa Posterior 2.1 126 24 3,548.51 1,619.92 5,168.43 911,517.24 93.97

Lado Izquierdo 11.8 58 24 6,537.87 4,240.56 10,778.43 1,900,911.4

9 195.97

Lado Derecho 11.8 55 24 5,961.00 4,088.91 10,049.90 1,772,426.1

6 182.72

Total 27.9 16,673.59 10,578.66 27,252.25 4,806,275.74 495.49

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88Diapositiva:



CB-2 Área (m2)

Temp. pared (°C)

Temp. aire (°C)


(kcal/h)Radiación

(kcal/h)Total


Tapa Frontal 5.3 39 24 1,295.74 1,503.83 2,799.56 493,858.95 50.91

Tapa Posterior 5.3 60 24 3,109.77 1,951.45 5,061.21 892,826.71 92.04

Lado Izquierdo 19.6 60 24 11,482.21 7,205.34 18,687.55 3,296,590.93 339.85

Lado Derecho 19.6 62 24 12,120.11 7,380.01 19,500.12 3,439,932.51 354.63

Total 49.8 28,007.82 18,040.62 46,048.44 8,121,219.34 837.24

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89Diapositiva:



CB-4 Área (m2)

Temp. pared (°C)

Temp. aire (°C)


(kcal/h)Radiación

(kcal/h)Total


Tapa Frontal 5.3 35 24 950.21 1,428.18 2,378.38 419,457.89 43.24

Tapa Posterior 5.3 75 24 4,405.50 2,327.54 6,733.04 1,187,455.56 122.42

Lado Izquierdo 30.5 61 24 18,340.97 11,333.42 29,674.39 5,233,450.33 539.53

Lado Derecho 30.5 56 24 15,862.46 10,669.86 26,532.32 4,679,306.95 482.40

Total 71.6 39,559.14 25,758.99 65,318.13 11,519,670.72 1,187.59

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90Diapositiva:



Pérdidas porcentuales por la envolvente de las calderas:

Pérdidas totales: 2,520 lt/sem

Consumo promedio de combustoleo: 82,316 lt/sem

Porcentaje de pérdidas : 3.1%

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91Diapositiva:


Pérdidas por purgas

Pérdidas por PurgasContenido de sólidos en agua de alimentación 25 ppmContenido de sólidos en las calderas 2500 ppmFlujo de vapor 7,299 lt/hEntalpía del agua de alimentación 51 kcal/kgEntalpía de saturación del agua 165.78 kcal/kgEficiencia de generación de vapor 80.11%Poder calorífico del combustible 9700 kcal/ltHoras de operación semana 144 h/sem.Tasa de purga actual 73.73 lt/hEnergía perdida en la purga 1,218,626 kcal/sem

Pérdidas en combustible 125.63 lt/sem0.15%

Se presenta el cálculo global

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92Diapositiva:


Eficiencia

CB-1 CB-2 CB-4 Global

Pérdidas por Combustión 22.19% 23.37% 20.66% 21.84%

Pérdidas por la envolvente 3.10% 3.10% 3.10% 3.10%

Pérdidas por purgas 0.15% 0.15% 0.15% 0.15%

Pérdidas Totales 25.44% 26.62% 23.91% 25.09%

Eficiencia 74.56% 73.38% 76.09% 74.91%

Balance de Energía en la Caldera

Energía aprovechada

74.91%

Pérdidas de combustión

21.84%


3.10%

Pérdidas por purgas0.15%

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93Diapositiva:


Aislamiento de tubería

Ubicación Calor kcal/h

Combustoleo lt/año

Costo $/año

Tuberías de distribución general 24,939.40 24,369.86 6,579.86

Tuberías de máquina Brugman 12,205.51 11,926.77 3,220.23

Tuberías de Mercerizadora 5,172.18 5,054.06 1,364.60

Tuberías de Pad Steam 13,125.94 12,826.19 3,463.07

TOTAL: 55,443.03 54,176.88 14,627.76

Resumen de Pérdidas por Falta de Aislamiento en Líneas de Vapor

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94Diapositiva:


Fugas de vapor

Ubicación Calor kcal/h

Combustoleo lt/año

Costo USD/año

Tuberías de máquinaBrugman 36,366.95 35,536.44 9,594.84

Tuberías de Mercerizadora 30,670.92 29,970.49 8,092.03

Tuberías de Pad Steam 99,899.57 97,618.16 26,356.90

TOTAL: 166,937.44 163,125.08 44,043.77

Resumen de Pérdidas por Fugas de Vapor

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95Diapositiva:


Pérdidas totales en distribución de vapor

Distribución de las Pérdidas en el Sistema de Distribución de Vapor

Pérdidas por fugas54.6%

Pérdidas no cuantificadas

27.3%

Pérdidas por tubería no

aislada18.1%

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96Diapositiva:


Resuman de medidas de ahorro

Número DescripciónPotencial de

Ahorro (USD/año)

1Reducir las pérdidas de calor por fugas devapor en las líneas de distribución y equiposen un 80%.

$ 35,235.00

2Aislar la tubería de vapor que se encuentradesnuda y reducir las pérdidas de calor enellas, al 10% del valor actual.

$ 13,164.98

3 Recuperar el 60% de los condensados que nose están recuperando. $ 56,168.86

4 Adquirir una nueva caldera, la que trabaje conuna eficiencia mínima de 83% $ 120,016.73

TOTAL* $ 203,218.34

Diapositiva:

Sesión 6 de 8


97

Fin de Sesión

Comentarios, dirigirse a:

Ing. Ramón Rosas [email protected]

Próxima sesión: Martes 23 de Noviembre 9:00 a.m. hora de Quito

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Curso Auditorías Energéticas · 2010-11-22 · CÁLCULO DEL RENDIMIENTO Balance de Energía POR EL MÉTODO DE PÉRDIDAS Análisis de un Caso Generación de Vapor Calcular el rendimiento