calderas - temarios formativos profesionales | instaladores de… · 2014-06-11 · - establecer...

1CALDERAS

INDICE

CALDERAS

1.- CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

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

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

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

3.1.- Cálculo de rendimiento en una caldera (método directo) . . . . . .11

3.2.- Cálculo del rendimiento de una caldera (método indirecto) . . . .12

4.- MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

1Calderas

3

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

1. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Las calderas pueden clasificarse atendiendo a varios criterios:

Atendiendo a las necesidades energéticas del proceso:

- Calderas de agua caliente

- Calderas de agua sobrecalentada

- Calderas de vapor saturado

- Calderas de vapor sobrecalentado

- Calderas de fluido térmico

Atendiendo a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases decombustión:

- 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 ENERGÍA 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 ENERGÉTICASECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS

4

- Considerar el PCI del combustible

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

Calor entrante

1. Calor sensible del combustible (Qc)

Qc = cc · tc [1]

Donde:

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

Tc = Temperatura de precalentamiento del combustible [ºC]

2. Calor de combustión (Qco)

Qco = PCI [kcal/Ud. de combustible]

3. Calor del aire de combustión (Qa)

Qa = Ga · cpa · Δ t [2]

Donde:

Δ t = Diferencia de temperaturas del aire caliente y frío [ºC]

cpa = Calor específico del aire [kcal/kg aire ºC] 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 = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg]

Tc

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

Qfe = hfe x Ca

b

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

b = consumo horario de combustible

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5

Calor saliente

1. Calor del fluido de salida (Qfs)

Qfs = hfs

Donde

hfs = Entalpía 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 combustión 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 entalpía específica de los humos (y) en kcal/kg humos.

3. Calor por inquemados gaseosos (Qig)

Qig = [ ][ ] [ ]

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ +

− 000.1100.321

21

2

CHCOO

[% de pérdidas sobre el

PCI del combustible] [4]

Donde:

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

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

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

4. Inquemados sólidos (Qis)

Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach

Qfe = hfs x Pv

b

hfs = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg)Pv = Producción 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 = Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía

de líquido para la presión de generación 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 continuación. b = Salinidad total en el agua de aportación [ppm]. Se mide con el

conductímetro. A = Caudal de agua de aportación [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

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7

6. Calor por radiación (Qr)

El calor perdido por radiación 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 pérdidas expresadas en W/m2 (si mul-tiplicamos por 0,86 las obtendremos en kcal/h m2).

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

Si b es el consumo horario de combustible, las pérdidas por radiación seobtendrán de la forma siguiente:

También puede emplearse la Tabla 31 para calcular las pérdidas por radiaciónen función de la producción máxima del vapor y el índice de carga.

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

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

El análisis de la combustión revela los siguientes resultados:

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

THUMOS = 230 ºC

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 ºC.

· Calor entrante:

Se consideran una fuente de calor entrante o calor aportado.

- Calor de combustión, 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 será empleado en la generación del vapor y otraparte se perderá. Se consideran cuatro puntos de pérdida 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 fórmula [4] y se considera [CO] = [CH]

Qig = 000.1

500

100.3

500

221

21

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9

- Calor por purgas, Qp

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

hp = 215,9 kcal/kg

- Calor por radiación, Qr

El índice de carga de la caldera es 20/25 = 0,8. De la Tabla 31 se obtiene quelas pérdidas por radiación 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 = añoNm

kgkcalañohhkg/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 métodos:

- Método directo

Donde:

PV = Producción de vapor [kg/h]

HV = Entalpía del vapor [kcal/kg]

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

PCIb

hHP feVV

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

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

Se observa que para poder calcular el rendimiento de la caldera por estemétodo será necesario conocer la producción horaria del vapor así como el con-sumo de combustible.

Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método directo)

Tenemos una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/año, 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 alimentación está a temperatura ambiente, 20ºC.

- Método indirecto

Si se desconoce la producción de vapor o el consumo de combustible se apli-ca este método, también conocido como método de las pérdidas separadas.

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

100/000.9/000.850.3

/205,659/600.7/000.633 NmkcalañoNm

kgkcalañohhkg=......................84,1% 84,1%

APORTADO

UTIL

Q

Q

Como: QUTIL = QAPORTADO - QPERDIDAS


12

Siendo:

Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método indirecto)

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

O2 = 3%

CO2 = 10%

CO = 0 ppm

THUMOS = 185 ºC

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

Se estiman unas pérdidas por purgas y por radiación del 5% por lo que se ten-drá:

APORTADO

PERDIDAS

APORTADO

PERDIDASAPORTADO

Q

Q

Q

QQ1

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 + Qradiación = 0,05 · 9.000 = 450 kcal/Nm3

100000.9

4507831 = 86,3%

1Calderas

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4. MEDIDAS PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

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

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

4.1 Ajuste de la combustión

4.2 Economizadores en calderas

4.3 Precalentamiento del aire de combustión

4.4 Recuperación del calor de purgas

4.5 Calorifugado de tuberías y tanques

4.6 Eliminación de fugas de vapor

4.7 Mantenimiento de purgadores

4.8 Expansión del condensado de alta presión

4.9 Recuperación de condensados

4.10 Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión

4.11 Convertidores de frecuencia en ventiladores de combustión y bombasde alimentación en calderas

4.12 Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural

AJUSTE DE LA COMBUSTIÓNPara ver el ahorro por ajuste de combustión habrá que calcular el rendimien-

to de la caldera antes (n ci) y después (n cf) del ajuste de combustión.

El ahorro será:

Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será:

AxC

Las actuaciones a realizar para mejorar la combustión pueden ser:

a) Ajustar la combustión de forma manual

cf

cicfAη

ηη −=

cfη ciη


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b) Sustituir los quemadores

c) Instalar microprocesadores de combustión, controlando:

O2

O2 + CO

O2 + CO + Opacidad

En función del consumo anual de la caldera, que justifique la inversión, sepropondrá la medida a), b) ó c).

Ejemplo: Ajuste de la combustión 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/año de gas natural se ha obtenido el siguiente resultado tras el análisis dela combustión:

O2 = 8%

CO2 = 7,4%

CO = 0 ppm

THUMOS = 200 ºC

Con la Tabla 12 se obtiene:

21,7 kg/Nm3

52,4 kcal/kg

Analizador de combustión.Cortesía de TESTO

1Calderas

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Por lo tanto, el calor perdido por los gases de la combustión 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 pérdidas se estiman en un 5%. Por lo que el rendimiento de la cal-dera es:

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

O2 = 2,5%

CO2 = 10,5%

THUMOS = 200 ºC

Del mismo modo se calculan las pérdidas por los gases de la combustión y laspérdidas por inquemados:

QH = 9,5%

Resto = 5,0%

Por lo que el rendimiento queda:

El ahorro de combustible será:

Que supondrá un ahorro de:

Ahorro energético = 2.110.465 kWh(PCS)/año

Que equivalen a = 163,35 tep/año

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

Ahorro económico = 54.872 €/año

η = 1-0,126-0,05 = 0,824 = 82,4%

η = 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 combustión que salen de la caldera para precalentar el agua de aportación ala misma.

El ahorro por la instalación de un economizador secalculará a través de los rendimientos antes y des-pués de la mejora.

Normalmente, estos rendimientos se calculan porel método indirecto.

Donde:

QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION

Al instalar un economizador lo único que varía es QHUMOS

pues disminuirá la temperatura de salida de los humos.

El ahorro será:

Si la caldera consume C unidades de combustible al año,el ahorro anual será: AxC

Ejemplo: Instalación de un economizador.

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

PCI

QPERDIDAS1

f

ifA

1Calderas

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O2 = 3%

THUMOS = 200 ºC

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

53,5 kcal/kg

Por lo tanto, las pérdidas en los gases de la combustión:

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 pérdidas se estiman en un 6% (pérdidas por inquemados,radiación 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 ºC.

Las nuevas pérdidas por humos serán:

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

Que equivalen a un 8,7% del calor aportado

η = 1-0,0969-0,06 = 0,8431 = 84,31%


18



Ahorro energético = 809.302 kWh(PCS)/año




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

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

Precalentador de Aire.

Cortesía de KALFRISA

η = 1-0,087-0,06 = 0,853 = 85,30%

A = 10030,85

31,8430,85 ⋅− = 1,16%

1Calderas

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

El ahorro por la instalación de cualquier equipo de este tipo se calculará a tra-vés de los rendimientos antes y después de la mejora.

Normalmente, estos rendimientos se calculan por el método indirecto.

Donde:

QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION

Al instalar un recuperador para precalentar el aire lo único que varía es QHU-

MOS pues disminuirá la temperatura de salida de los humos de la caldera.

El ahorro será:

Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será:

AxC

Ejemplo: Instalación de un recuperador para el precalentamiento del airede combustión.

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

O2 = 4%

THUMOS = 210 ºC

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

56kcal/kg

PCI

QPERDIDAS1

f

ifAη

ηη −=


20

Por lo tanto las pérdidas en los gases de la combustión:

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 pérdidas se estiman en un 6%.

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

Las nuevas pérdidas por humos serán:

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

η = 1-0,1064-0,06 = 0,8336 = 83,36%

1Calderas

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Que equivalen a un 9% del calor aportado







RECUPERACIÓN DEL CALOR DE PURGAS La operación de purga consiste en extraer sólidos disueltos y en suspensión de

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

El agua evacuada en las purgas de las calderas de vaporestá a elevada temperatura y presión. El calor contenido enel agua de purgas se recupera expansionándola en un tan-que y utilizando el líquido y el vapor producidos.

El ahorro obtenido gracias a la recuperación de estecalor sería:

Recuperadores de calor de purgasCortesía de SPIRAXSARCO

Donde:

Q = Calor recuperado del condensado o purga

n = Rendimiento de la caldera

PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible

η = 1-0,09-0,06 =0,85 = 85%

A = 10085

36,8385 ⋅− = 1,93%

combudkcalPCI

añokcalQA

./

/

η


22

Ejemplo: Recuperación del calor de purgas mediante expansión en un tan-que flash.

Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.000 h/año 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 será enviado a proceso.

El vapor producido será:

Por lo tanto, el calor recuperado será:

Q = 343.226 kg/año · 650,1 kcal/kg =223.131.220 kcal/año

De esta forma se estima que el ahorrode combustible será:



Que equivalen a 26,25 tep/año

PV = ( )

( ) añoh

kgkcal

kgkcal

hkg

000.7

4,1331,650

4,1337,189450

⋅−

− = 343.226 kg/año

A =

3000.985,0

220.131.223

Nm

kcalaño

kcal

= 29.167 Nm3/año

1Calderas

23



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

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

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

Instalación de calorifugado de tuberías

Los codos, “T”, injertos, reduccionesequivalen en función del diámetro de latubería, a:

1”-1,5” a 1 m de tubería

2”-5” a 1,5 m de tubería

5,5”-10” a 2 m de tubería

Las pérdidas de los elementos calori-fugados se calculan por el ábaco delsuministrador del aislamiento.

Para el cálculo de las pérdidas en tan-ques y depósitos se utilizan las Tablas 38y 39 del Anexo.

El ahorro será:

Donde:

combud

kcalPCI

año

hH

h

kcal

A

.


24

Ejemplo: Aislamiento de tuberías y válvulas.

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

Se calculan las pérdidas de calor en tuberías y válvulas sin aislar a partir delábaco de Wrede (Tabla 40).

Ábaco de Wrede

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

Qválvulas = 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 tuberías y en las válvu-las de forma que el calor perdido en ellos será el calculado en los ábacos de los

Δ = Diferencia de pérdidas calorifugado y desnuda H = Horas de funcionamiento al año η = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible

1Calderas

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

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

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

QTotal = 102 kcal/h






Ahorro económico = 754 €/año

ELIMINACIÓN DE FUGAS DE VAPOR Siempre que exista una fuga de vapor se tendrá una pérdida energética. Para

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

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

Donde:

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

d = Diámetro del orificio [mm]

P = Presión manométrica del vapor [kg/cm2]

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

A = ( )

3000.985,0

200.7102856.2

Nmkcal

añoh

hkcal

⋅

⋅− = 2.592 Nm3/año

( )1···2 += PPdKQ


26

También puede emplearse la Tabla 45 para el cálculo del caudal de vapor per-dido a través de las fugas.

El ahorro de energía por eliminar las fugas de vapor será:

Donde:

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

H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año]

X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud combustible]

Ejemplo: Eliminación 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 diámetro y 6 de 5 mmde diámetro. La instalación funciona 5.000 h/año con una producción específi-ca de vapor de 12 kg/Nm3 a 8 kg/cm2 de presión.

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

XHQA ×= [ud. combustible/año]

1Calderas

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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 será:



Que equivalen a = 209 tep/año



MANTENIMIENTO DE PURGADORES Un purgador de vapor es una válvula automática instalada en una conducción

de vapor para eliminar los condensados y el aire.

Los purgadores actúan en función de diversosparámetros físicos, pudiendo ser estos parámetrosde tipo mecánico como la densidad, termostáticoen base a diferencia de temperaturas entre el vapory el condensado y termodinámico en base a cambiosde fase.

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

Purgador de vaporCortesía de Spirax Sarco

A =

312

000.5558

Nm

kgaño

h

h

kg

= 232.500 Nm3/año 232.500 Nm

3/año


28

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

Donde:

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

H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año]

X = Producción específica 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 instalación funciona 7.000 h/año con una pro-ducción de vapor de 12 kg/Nm3.

El ahorro por eliminar las fugas de vapor será:






EXPANSIÓN DEL CONDENSADO DE ALTA PRESIÓN Esta medida permite emplear el condensado de una utilización de vapor a alta

presión para producir más vapor a una presión inferior que podrá ser utilizadoen otro punto del proceso productivo.

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

XHQA ×= [ud. combustible/año]

A =

312

000.740

Nmkg

añoh

hkg ⋅

= 23.334 Nm3/añoA =

312

000.740

Nmkg

añoh

hkg ⋅

=

1Calderas

29

En los sucesivos expansionados habrá que llegar a un acuerdo entre el ahorroproducido por la expansión y el coste de la instalación de nuevos tanques.

Para obtener el ahorro energético se realiza un balance de masa y calor en eltanque de expansión.

El ahorro producido por el calor recuperado del condensado sería:

Donde:

Ejemplo: Expansión del condensado en un tanque flash.

En una instalación 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 producción de vapor será:

Por lo tanto, el calor recuperado será:

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

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

[ ][ ]ecombustibldeUdkcalPCI

añokcalQA./

/

×=

η

Q = Calor recuperado del condensado η = Rendimiento de la calderaPCI = Poder Calorífico 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

kcalaño

h

h

kcal

= 32.180 Nm3/año


30

que supondrá un ahorro de:





RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS A.Tanque de condensados atmosférico

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 fórmula directa para obtener la producción específicade vapor [kg vapor/ud. combustible]

Depósito de condensados

Donde:

El ahorro de combustible sería:

PCIHH

X CV −=η

η = Rendimiento de la calderaX = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] HV = Entalpía del vapor [kcal/kg] HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [kcal/ud. combustible]

F

IF

XXXA −

=

1Calderas

31

Donde:

XF = Producción específica de vapor después de la mejora

XI = Producción específica del vapor antes de la mejora

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

B.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuitocerrado

Esta instalación aprovecha el condensado a una presión intermedia entre lade utilización y la atmosférica. Para ello, el tanque de alimentación se encuen-tra presurizado y se utiliza una bomba de alimentación a caldera capaz de tra-bajar a dicha presión.

El ahorro se calcula aplicando el mismo método que A pero HC será la ental-pía del condensado correspondiente.

C.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuitosemi-cerrado

Esta instalación aprovecha el condensado a la presión de utilización expansio-nándolo en un tanque flash, produciendo vapor a baja presión que se utiliza enel proceso y el condensado resultante se introduce a la caldera a dicha presión,utilizando una bomba de alimentación a caldera capaz de trabajar en dichascondiciones.

Para el cálculo del ahorro:

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

- Por la producción de vapor flash, se utiliza el mismo método la recupera-ción del calor de purgas.

D. Instalación de una Unidad de Recuperación deCondensados (U.R.C.)

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

U.R.C. Cortesía de Valsteam Engineering


32

Este conjunto aporta las ventajas siguientes:

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

- El hecho de no pasar por el depósito de condensados, tener toda la insta-lación a presión y de existir una desaireación continua, mejora el coeficien-te de transmisión en los aparatos consumidores de vapor, acorta los tiem-pos de calentamiento y mitiga la presencia de oxígeno en las conducciones,lo que reduce en gran medida las corrosiones de las mismas, evitando laadición de hidracina u otros inhibidores de oxígeno.

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

- Paralelamente, la menor adición de agua nueva hace descender el ritmo deconcentración 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 recuperación total de condensados, la purga se hace teórica-mente innecesaria y bastaría una pequeña purga cada dos días para mante-ner perfectamente la salinidad adecuada en la caldera.

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

Una fábrica 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 depósitoatmosférico 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 17º C hasta 41,8º C.

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

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

PCI

HHX CV

1Calderas

33

Por lo que:

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





COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESIÓNPara instalaciones que precisen vapor a dife-

rentes niveles térmicos, se puede pensar en unsistema de cogeneración con turbina de vapor acontrapresión.

En una caldera de vapor se genera vapor a altapresión. 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 esté el resto del vapordel proceso.

Turbina de vapor. Cortesía ELCOGAS

η = Rendimiento de la caldera X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] HV = Entalpía del vapor [kcal/kg] HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [ kcal/ud. combustible]

30009

841656860

Nm/kcal.

kg/kcal,X, X = 12,6 kg/Nm

3 gas natural

El ahorro obtenido será: 612

1112612

,

,,A = 3,9 %

( )


34

Ejemplo: Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión.

Una instalación que funciona 7.000 h/año 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 contrapresión en la que se reali-zarán extracciones a las presiones de trabajo requeridas. El rendimiento mecá-nico de la turbina es del 97,5%.

La instalación quedaría del siguiente modo:

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

Esta potencia podrá ser empleada en, por ejemplo, generación de energíaeléctrica. Si el rendimiento del alternador es del 96% la generación eléctricaserá:

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 ⋅⋅añohkW = 2.788.800 kWh/año

1Calderas

35

CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN VENTILADORES DECOMBUSTIÓN Y BOMBAS DE AGUA DE

ALIMENTACIÓN DE CALDERASFrecuentemente, los ventiladores y bombas de agua de

alimentación están muy sobredimensionados, funcionandouna gran parte del tiempo en condiciones muy por debajo delas nominales. Por este motivo, el cortatiros y la válvulaempleados para la regulación del caudal trabajan en posi-ción muy cerrada durante todo el tiempo.

En la regulación de dichas variables, gran parte de lapotencia absorbida por los motores de accionamiento seemplea en compensar la pérdida de carga producida en elcortatiros y la válvula.

Convertidor de frecuencia.Cortesía de OMRON

La sustitución de estos sistemas convencionales por sistemas que realizan laregulación de caudal, en base a la variación de velocidad de los motores eléc-tricos de accionamiento por medio de conversores de frecuencia, evita esta pér-dida de energía.

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

El pay-back de la inversión de este tipo de instalaciones se puede asegurarque, en la mayoría de los casos, es menor de dos años.

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

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

% 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/año:

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

- 2.500 h/año 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 energía obtenible sería:

A. Energético = 170.454 kWh/año


Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro eco-nómico de:


174,2500.11

000.25

·

·

2

1

2

1

2

1

N

N

NK

NK

Q

Q

275,10174,23

2

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 3

3

3

3

1

3

1 33,8N

N

P

P

Luego, kWP 0865,033,8

5033

1Calderas

37

Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para la bomba de ali-mentación de caldera.

En la bomba de alimentación de una caldera se han medido los parámetrossiguientes:

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

caldera se tiene:

La potencia absorbida en la situación 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

ηHQP =

2

2

2

··10

ηHQP =

12

21

2

1

·

·

ηη

HH

PP =

9,0

1

2 =ηη

,

12

2

1·67,09,0·

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 energía obtenible sería:

A. Energético = 57.750 kWh/año


Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro eco-nómico de:


SUSTITUCIÓN DE UNA CALDERA ELÉCTRICA POR CALDERA DEGAS NATURAL

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

Caldera de gas natural

Ejemplo: Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural

En una empresa textil se dispone de 23 calderas eléctricas para calentar unfluido térmico (difenilo), que se demanda para el proceso productivo en esta-do líquido a (250º C y 2 – 3 kg/cm2) y en estado gaseoso (a 220 – 250º 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 energía térmi-ca a altas temperaturas que se precisa en diferentes puntos de consumo.

Se propone sustituir las calderas eléctricas por una caldera de gas naturalque genere el fluido térmico a la máxima presión demandada, regulando latemperatura en cada punto de consumo mediante válvulas reductoras de pre-sión y válvulas de tres vías.

El consumo de las calderas eléctricas, para un funcionamiento anual de 7.800h/año, es:

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

1Calderas

39

El rendimiento de las calderas eléctricas para un grado de carga medio del50% es del 85%, por lo que la energía térmica generada es de:

3.303.300 kWh/año · 0,85 = 2.807.805 kWh/año

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

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

El ahorro energético sería, por lo tanto de:

Ahorro energético = 826 - 322 = 504 tep/año

Ahorro económico para un precio de energía eléctrica de 7,8 c€/kWh y gasnatural de 2,3 c€/kWh:

A. Económico = kWh

c

año

kWh

kWh

c

año

kWh €3,2711.159.4

€8,7300.303.3 = 161.984 €/año

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