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EFICIENCIAde Ia combustión, de la tnansk-:rencia

y de la en calderas.

Esta publicación fue integramente realizada por Distribuidor Ancap S.A.en la República Oriental del Uruguay, como aporte al mejor uso de /osderivados del petróleo en la actividad industrial.Montevideo 7980.

SUMARIO

EFICIENCIA. DE LA COMBUSTION

COMBUSTION

RELACION A /RE-COMBUST/BLE

/NSUFICIENC/A DE A /RE

EXCESO DE AIRE

A TOM/ZACION

TEMPERATURA ADECUADA DE LA CAMARA DE COMBUSTION

EFICIENCIA DE LA TRANSFERENCIA

INCRUSTA CIONES

LIMITES OPERA T/VOS DEL AGUA DE CALDERA

EFICIENCIA DE LA OPERACION

EFICIENCIA

La llama de la lámpara a querosenoy la impulsión del avión a reacción,tienen a/go en común. Ambas sonformas de combustión que empleanderivados del petróleo y están di-rigidas por el hombre a cumplir pro-pósitos útiles: iluminación y trans-porte respectivamente.

Pero la lámpara a queroseno y elmotor del avión a reacción que hu-mean, también pueden tener algoen común: ambos pueden ser for-mas ineficientes de combustión. Co-mo el petróleo es un recurso no re-novable, cada vez más caro y esca-so a escala mundial, en toda com-bustión el factor de eficiencia esfundamental.En nuestro país, la eficiencia de lacombustión resu/ta---también un im-perativo patriótico porque no po-demos despilfarrar derivados delpetróleo.Esta publicación procura explicarcuáles son los caminos para mejorarla eficiencia en calderas, es decir,conseguir los mismos resultados uti-/izando menos petróleo.

.

COMBUSTION RELACION AIRE-COMBUSTIBLE

La combustión es una transforma-ción química. Es la reacción de underivado del petróleo (combusti-ble) frente al oxigeno (comburen-te). Es del encuentro de estos doselementos, una oxidación provoca-da, del que resulta desprendimien-to de calor durante un breve lapso.La tecnificación resulta esencia/ pa-ra que esa combustión sea eficiente.

COMBUSTION EFICIENTE

Una combustión comp/eta exige:

7) Cantidades adecuadas de com-bustible y aire.

2) Mezcla íntima entre el aire y elcombustible.

3) Temperatura adecuada capazde provocar la reacción com-pleta.

En el manejo de esta relación, pue-de producirse una pérdida de ener-gía, con porcentajes que pueden al-canzar elevados valores: 70 o/o a75 o/o. A veces, estas pérdidas senotan a simple vista: el humo ne-gro y el humo blanco.Pero la ausencia de humos en la chi-menea no es garantía de eficiencia;por el contrario, esa ausencia sueleobedecer al exceso de aire. En estoscasos solamente serán detectadas através de instrumentos especiales. Amodo de ejemplo, diremos que unacombustión con Fuel-Oil necesitaexceso de aire de un 20 o/o ,a un30 o/o para asegurar una reaccióncompleta, En la práctica, ésto resul-ta en humo tenue de color habano,con porcentajes de 72 a 73 o/o deC02 y aproximadamente 2 o/o deoxigeno, El CO será nulo y no exis-tirán gases sin quemar. Por otra par-te, la llama será de color anaranjadocon tonalidades claras.En ta/es circunstancias, no deberáformarse ho//in.Hoy resulta inconcebible una calde-ra importante que no esté equipadacon elementos de corrección perma-nente de la relación aire-combust¡-ble, Los correctores son de diversostipos, pero se basan fundamental-mente en la medición del C02, del0 y de los caudales de combustibley aire, Se dispone también de equi-pos sencillos, manuales, para la me-dición de los gases. Los mismos nospermiten efectuar correcciones adiario. (gráfico No. 7)

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RELACION ENTRE EL PORCENTAJE DE CO; Y EL EXCESO DE AIREDE LOS GASES DE COMBUSTION

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CONTENDOENLOSGASESDECOMBUSTO0-

GRAFICO I

INSUFICIENCIA DE AIRE

La más notoria de las situacionesque se presentan en una combus-tión, es la insuficiencia de aire. Unode los sintomas más visibles de estehecho, es la presencia de humo ne-gro en la chimenea (aunque puedetambién obedecer a otras razones).En este caso, el color de la //ama sepresenta anaranjado opaco, con tin-tes oscuros que van hasta el rojo vi-vo oscuro. A/ efectuar un análisis delos gases de la chimenea, se detecta-rá la presencia de CO, gases no que-mados, etc. Como consecuencia deésto, se formará ho/lín, el cua/ seacumulará sobre las superficies detransferencia de calor, provocandopérdidas que se sumarán a las origi-nadas por el combustible no quema-do.

EXCESO DE AIRE

Aunque menos notorio, el excesode aire es el defecto más común. Lamejor forma de detectarlo es me-diante equipos especiales. La mag-nitud de las pérdidas suele llegarhasta el 75 o/o del costo de com-bustible.En este caso, la chimenea pareceexpulsar aire caliente. Generalmen-te no hay presencia de humo. Lallama es brillante y blanca, incan-descente o fulgurante.AI analizar los gases, el contenidode CO2 será bajo, mientras que elde O2 será alto.Un exceso muy grande de aire pro-vocará humo blanco.Existen tablas, mediante las cua/esse puede calcular la pérdida origina-da por el exceso de aire. Con e/las

se podrá realizar el cálculo basándo-se en el porcentaje de CO2, la tem-peratura de los gases a la salida dela caldera y la temperatura ambien-te en la sala dela caldera. (gráficoNo. 2).Las razones para una permanenteatención en el equilibrio de estarelación, son muchas. Por ejemplo:la variación de la cantidad de com-bustible debe estar acompañada dela correspondiente variación en lacantidad de aire.

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FUEL-OIL

PERDIDAS PCR SOBRETEMPERATURA EN LA CHIMENEAPÄc.s. 10.300 kcul/kg,P.c.i 9.700 kcul/kq_

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TEMPERATURA DE SALIDA DE GASES. “Czoo aoo 400

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TEMP. AMBIENTE; 30'C; TEMP. SALIDA DE GASES; 310'-'C; CO, Z 13% PERDIDA; 13,7'/o

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VISCOSIDAD/TEMPERATURA PARA COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO

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GRAFICO 3

A 60 70 O80 90 1001101201301-1OI50'IóO

TEMPERATURA. *C

Del mismo modo, cuando los con-troles son combinados, la relaciónes afectada por: las condicionesatmosféricas, la variación en la vis-cosidad del combustible (cambiosde temperatura, uso de aditivos,etc.)Haciendo cálculos se verá que esmuy conveniente disponer de unequipo de medición, ya que las pér-didas debidas a una mala operaciónen la relación aire-combustib/e, jue-gan un papel fundamental en elahorro final.

A TOM/ZA C/ON

Dada la importancia del contactoíntimo entre el combustible y el ai-re, cada tipo de quemador debe em-plear únicamente el combustible pa-ra el cual ha sido diseñado. La vis-cosidad de/ combustible en la zonadel quemador debe ser la adecua-da.

Para lograrlo, debe precalentarse elcombustible -hasta obtener la visco-sidad indicada. Otra precaución adi-cional, es el contro/ del estado delos elementos que dirigen el aire so-bre el cono de pulverización, Parauna atomización correcta se debemantener la temperatura del com-bustible en el valor correspondien-te, recurriendo a la informaciónbrindada por el fabricante del que-mador.Otras veces, deberá considerarse elefecto sobre la viscosidad causadopor los aditivos.En el caso de los quemadores de co-pa rotativa, deberá tenerse en cuen-ta que un exceso de temperaturapuede ser perjudicial, dado que unaviscosidad muy baja (menos de 75Cs.) tiende a producir un resbala-miento, arrojando el combustiblesin pu/verizar correctamente.En el gráfico No. 3 se muestran losvalores medios de trabajo.

CPUNTO DE ROCIO DE LOS GASES EN FUNCION DEL CONTENIDO DE AZUFRE

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PUNTO DE ROCIO DEL GAS

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GRAFICO 4

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TEMPERATURA ADECUADA DELA CAMARA DE COMBUSTION

EFICIENCIA DE LA TRANSFE-RENCIA.

La temperatura interna de la cá-mara de combustión ejerce una in-fluencia decisiva sobre la combus-tión. Esta debe hacerse a tempera-tura adecuada, trabajando con lacantidad de aire correspondiente,precalentándolo si fuese necesario yadecuando la disposición internadel hogar. (Refractarios, etc.). Unavez transformado el aire y el com-bustible en gases de chimenea, éstosdeberán abandonar la caldera a lamenor temperatura posible, peroevitando que el ácido sulfúrico for-mado se condense. (gráfico No. 4).Es obvio que, cuanto más baja seaesa temperatura, mayor será la recu-peración térmica, pero mayores se-rán también las posibilidades de co-rrosión y la necesidad de utilizarmeta/es especia/es para evitar/a.

Para que el calor producido en elinterior del hogar de una calderanos preste la utilidad deseada, de-bemos transferirlo al fluido que lotransportará al proceso, La trans-ferencia se efectúa atravesando lapared del recipiente que contieneel mismo. Muchos factores intervie-nen en la transferencia: velocidadde los flu/dos (gases, fluído térmi-co, etc.), diferencia entre la tempe-ratura de ambos lados (salto térmi-co), espesor y naturaleza del mate-ria/ que forma la pared, etc. Todosestos elementos están perfectamen-te establecidos cuando se comprauna caldera.Los que no están establecidos, peroque de igual forma tienen una inci-dencia fundamental, son los depó-sitos que se forman a ambos /adosde las paredes de transferencia (tu-bos, placas, etc.) En la pared del ho-gar se deposita hollín, y del lado delagua, incrustaciones. Un manejo co-rrecto de la combustión, un contro/técnico de las aguas (tratamiento,purgas), un mantenimiento racio-nal, evitarán elevadas pérdidas.Ejemplo:3 milímetros de depósitos de hollínpuede provocar una pérdida del8 o/o.7,5 . mil/'metros de depósitos de ho-llín pueden provocar una pérdidade.4 o/o.0,8 mil/'metros de depósitos de ho-llín pueden provocar una pérdidade 2 o/o.El hollín debe ser eliminado perió-dicamente (semanal, mensual, etc.).

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//vc/eusm c/o/ves IDe la misma forma que el hollín,los depósitos de barro y las incrus-taciones del lado del agua dificul-tan la transferencia del calor. Lassa/es disue/tas que contiene el aguade reposición, una vez en el interiorde la caldera, sufren cambios queprovocan su concentración y preci-pitación, formando barros e incrus-taciones. Los limites hasta los cua-les dichas sales admiten ser tolera-das en el interior de la caldera,de-penden de la presión de trabajo ydiseño de la misma. El valor de laspérdidas depende del espesor y tipode incrustación.

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Espesor o/o pérdida de calorinscrustación Carbonato blanco

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0,5 3,5 o/o0,8 7,0 o/o7,0 8,0 o/o7,5 72,5 o/o2,2 75,0 o/o

Carbonato duro Sulfato duro

5,2 o/o 3,0 o/o8,3_ o/o 6,0 o/o9,9 o/o 9,0 o/o

72,6 o/o 72,6 o/o74,3 o/o 74,3 o/o

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Algunas medidas que pueden to-marse para evitar este problemason las siguientes: tratar el aguade reposición por medios fisico-químicos (sedimentación, coagu-/ación, asentamiento, filtración,ab/andamiento químico, resinas dein tercambio,etc.). .Tratar internamente el agua de cal-dera; establecer un régimen adecua-do de purgas (de fondo, continuas).Una vez formadas las incrustacio-nes, éstas podrán ser quitadas sólopor medios mecánicos 0 químicos.Se recomienda la inspección perió-dica de la parte de agua de la calde-ra (de 6 meses a un año como mini-mo). Midiendo la temperatura delos gases de chimenea con un ter-mómetro instalado en la misma, esposible saber si hay pérdidas debi-das a falta de transferencia, ya queen ese caso hará subir la temperatu-ra por sobre su valor normal.

LIMITES- OPERATIVOS DELAGUA DE CALDERA

Sólidos disueltos + Sólidos

Presiones

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Presiones

0-27 Kg/cm22 7-32 ”32-42 “42-53 ”

Presiones

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0-27 Kg/cm22 7 -32 "32-42 ”42-53 "

en suspensión

Concent. Máx.

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Alca/¡nidad total

700 ppm600 "500 “400 “

Sólidosen suspensión

300 ppm250 ”750 "7 00 ”

S/'lice

725 ppm90 "'50 ll

35 "

Otros limites estarán fijados segúnel tratamiento interno (fosfato, sul-fito, hidrazina, etc.).Se realice o no el tratamiento qui-mico del agua, los limites fijadoscon anterioridad deben ser respeta-dos si se desea calidad de vapor yajustada operación de la caldera.

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Hay una tendencia generalizada acreer que el ablandador de resina(ciclo sódico) es suficiente paraevitar problemas de incrustación ycorrosión. Sin embargo, no es as/ÍUn ablandador consigue que el tra-tamiento de/ agua en la parte delas incrustaciones se realice a ba-jo costo, pero no representa unagarantía por si' mismo.Dada la necesidad de purgar y debi-do a los //mites anteriores, se debe-rá buscar que la purga resulte delmenor valor posible, para ahorrarenergía.A tal efecto, es conveniente:7) Retornar el máximo del conden-sado, colocando trampas adecuadasy un sistema de recuperación delcondensado. Esto logrará:a) efectivo ahorro de energia, yaque se trata de agua caliente;b) ahorro en tratamiento químico;c) ahorro en la cantidad de agua apurgar. . -,Al ser alimentada con agua caliente,la caldera no sólo mejorará su efi-ciencia, sino que también sufrirámenos movimientos “térmicos”,mejorando su respuesta a la deman-da de vapor.

2) El tratamiento qu/'mico deberáser realizado, de manera ta/ que noinfluya subiendo artificialmente al-gunos de /os limites, obligando conello a purgar más.3) Utilizar las mejores aguas dispo-nibles. Generalmente se cree que elagua de pozo es mejor que el aguade río. Esto debe ser analizado conlos equipos apropiados en laborato-rios. “4) Al retornar condensados, evitaraquellos que contengan elementoscontaminantes. (aceites, grasas,etc.)5) Utilizar los medios aptos para lamedición de los límites (laborato-rio, conductimetros, densimetros,etc.).

,

Una caldera, como hemos visto, re-quiere la atención permanente desus responsables. Asimismo, es ne-cesaria la asistencia técnica de espe-cialistas en distintas materias: en lacombustión, en el tratamiento qui'-mico del agua o en la eventual uti-lización de aditivos.Todo ésto debe ser valorado conmedios técnicos: instrumentos fijoscomo termómetros, medidores decaudal de combustible, de agua yvapor, de la composición de los ga-ses, CO2, oxígeno, dependiendo dela importancia de la planta. Conmedidores portátiles para la aprecia-ción técnica de los gases de com-bustión: C02 y O2; conductime-tros y dens/'metros para control de

sólidos disueltos; pequeños labora-torios de contro/ qu/'mico para me-dir las condiciones en que se estácumpliendo el tratamiento.El control de las purgas para mante-ner el máximo de sólidos disueltos,sin excedernos en demasiadas ex-tracciones (que ser/'an pérdidas),también se pueden valorar por me-dio de /os ciclos de concentracióndel agua de reposición. Según seanlas condiciones del agua de reposi-ción, los ciclos de concentraciónmáximos serán las veces que se po-drá concentrar el agua' de reposi-ción hasta llegar a las condicionesdel máximo de sólidos disueltos.Utilizando la propiedad de los clo-ruros que no forman sales que seprecipiten dentro de la caldera, sepodrán medir tanto en el agua dereposición como en el agua de cal-dera. Haciendo la siguiente re/ación,tendremos:

Cloruros en elCMOS de agua de calderas

concentraciónCloruros en el

agua de reposición.

Esto nos permite, además, ca/cu/arel porcentaje de purga que estamoshaciendo o tendremos que hacer.

7 x 7 00- :_ o/o de purga del

agua de reposiciónCiclos deConcentración.

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Esto nos está demostrando quenuestro porcentaje de PURGA será,respecto al tota/ de agua de alimen-tación o vapor generado, de un va-lor relativo al condensado recupe-rado, es decir, cuanto más conden-sado se recupere, menor será lacantidad de purga, menor la necesi-dad de productos quúnicos parael tratamiento y mayor la recupe-ración de calor. Todo esto acrecen-tará la EFICIENCIA. A las pérdidasseñaladas, hemos de sumarle otraspérdidas debidas a: 7) Los elemen-tos aislantes (forros aislantes) cuan-do se encuentran en ma/ estado o se

carece de el/os. Muchas veces elmaterial no es adecuado, su espesores insuficiente, las pérdidas de aguasobre los mismos los hacen noaislantes, la forma de colocación esinconveniente, etc.El valor de estas pérdidas es difi-cil de cuantificar, ya que no sonsensibles a la vista o al o/'do; sólo laexperiencia basada en el cálculopermite decir que su valor no esdespreciable. Generalmente estapérdida va desde la planta de gene-ración hasta el proceso en si y des-de el proceso mismo hasta la plantade generación.2) Las pérdidas de vapor y agua ca-liente, a pesar de que muchas vecesse ven, no tratan de evitarse, en elsupuesto de que son de bajo valor.No es asi, la suma de pérdidas devástagos de válvulas, platinas y ros-cas, serpentinas perforadas, válvulasde seguridad, válvulas de fondo,etc.es un porcentaje frecuentementemuy elevado, que hace que la EF/-CIENCIA de la planta en genera/sea muy baja.

3) Puede suceder que el diseño delequ/po de combustión, del genera-dor de vapor (caldera), de los equi-pos auxiliares, debido a la e' ocp a enque fueron diseñados, no respondana las necesidades actuales. Es deciruna vez buscado el máximo de EF/ÍCIENCIA, veremos que la mismatiene un //'mite propio el corres-

Jpondiente a cada diseño. A partir0, ,e aqui, se debe pensar en la com-pra de equipos más actua/es y mu-ch 'as veces sorprendera su rápidaamortización.

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EFICIENCIA DE LA OPERACION

Una vez logrado el ajuste técnicode una planta, asegurando su máxi-ma eficiencia, se verá que la máqui-na siempre está supeditada en sufuncionamiento a la capacidad delhombre.Ta/ es así, que esa misma planta po-drá mostrar EFICIENCIA diferentesi cambiamos el grupo humano res-ponsable de la misma. La diferenciaradica en la coordinación de lasoperaciones. Normalmente la coor-dinación debe ser un conjunto demedidas operativas, creadas entrelos hombres de producción y losde generación (mantenimiento,ope-ración, etc.). Una marcha brusca,con cambios inesperados en losconsumos, con momentos de acu-

I.

mulación y momentos de bajo con-sumo, hará que sea muy difícilmantener las relaciones correctas delos distintos elementos a controlar(Temperaturas, relación aire-com-bustible, exceso de combustión,etc.).Un operador de caldera con la in-formación necesaria de los cambiosa producirse, podrá hacer las regu-laciones en forma tal que las pérdi-das sean minimizadas.El hombre de producción debe to-mar conciencia de que está “mane-jando” los equipos que producen laenergía y que dependerá de él laEFICIENCIA FINAL.Se puede decir que una caldera co-rrectamente mantenida, con super-ficies limpias de hollín e incrusta-ciones, agua tratada y bien acondi-cionada, eficientemente operada es,además, una caldera segura.

DATOS UTILES

I caloría (Kcal)nits) x 0 252 = KioBTU (British thermal u ,Kcal. x 3.968 = BTU

- Atm (Atmósfera) o BarsPSI (Pound per square inch) x 0,068 -Atm. x 14,7 = PSI

Atm. x 29.92 = Pulgada de mercurioSl (Libras por pulgada cuadrada)Kg./cm2 x 14.22 = P

PSI x0,07 = Kg./cm2Kw x 1,341 = HPHp xO,745 = Kw

KwxO,948 = BTU /SKwx860 = KcalKW X 1,36 = CV

TEMPERATURA C = 5/9_(F-32) F = 9/5 C + 32

1415 - 131,5 = AP) (15,e cldAP| =__i_i___,6C)

Graveda . _.p.e. (al I5

1 Grano por galón = 17,1 partes por millón (ppm).1 Grano = 64,8 miligramos

1 ppm. = 0,001 Gramo/It. = 0,058 Granos/galón1 ppm. = 0,1 G. Francés = 0,056 G. Alemán = 0,07 G. Inglés

1 US galón = 231 Pulg. Cúbicas = 8,34 Lbs. (agua) = 3,785 Lts.1 pie cúbico = 28,3 Lts.

1 Libra = 7000 grano = 435 gramos1 Kgrs./cu. ft. (Kilograno/pie cúbico) x 2.29 -= Gramos de CaCO3,/litro

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DISTRIBUIDOR ANCAP S.A.Calle Yañez Pinzón 40 79

Tels: 38 52 27/ 26Montevideo - Uruguay

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