Calderas de vapor y eficiencias

Profesor: Mario SantizoProfesor: Mario Santizo

Mario Santizo

USOS DEL VAPOR EN LA USOS DEL VAPOR EN LA INDUSTRIAINDUSTRIA

Indirectamente en intercambiadores de calorIndirectamente en intercambiadores de calor.

Directamente en el proceso de esterilización, lavado y

sanitización.

Calentamiento y/o reacciones en corrientes de proceso.y p

Mario Santizo

SISTEMAS DE VAPOR EN LA SISTEMAS DE VAPOR EN LA INDUSTRIAINDUSTRIA

Mario Santizo

GENERACION DE VAPORCondensado de vapor a

198ºF

Agua fresca a 78.8ºF

VALVULA REGULADORA DE PRESION 1

Retorno calderas a58 ºC

de s 40 ºC

F

VALVULA REGULADORA DE PRESION 2

VAPOR DE CALENTAMIENTO

Bun

ker d

tanq

ues

prim

ario

s a

4

TTANQUE DIARIO

DE BUNKERAAA TANQUE DE

CONDENSADOS1

TANQUE DECONDENSADOS

2

DDiam. 8"

POR

A P

RO

CES

O

CO

ND

ENSA

DO

S D

E M

AN

IFO

LD

Caldera de vapor CleaverBrooks de 400 Bhp

Caldera Cleaver Brooks de300 BhpMANIFOLD PRINCIPAL DE

VAPOR

VAPOR DE CALDERA 300 Bhp

VAPOR DE CALDERA 400 Bhp

VAP

RET

OR

NO

DE

C

A AL

IMEN

TAC

ION

LDER

AS A

158

ºF

Eficiencia de calderaactual = 76.12 %

Eficiencia de calderamejorada = 85.04 %

Eficiencia de calderaactual = 79.77 %

Eficiencia de calderamejorada = 86.42 %

AGU

AA

CAL

1. Retorno de condensado actual = 66.44 %

2. Retorno de condensado mejorado = 95.11 %

3. Producción de vapor = 34,476,809 lb de vapor/año

4. Costo de 1,000 lbs de vapor = Q 53.05

Ref. 5.610 Q/gal.

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Calderas de vaporPirotubularesPirotubularesAcuotubularesAcuotubularesde comb stible sólidode combustible sólido

Mario Santizo

Calderas PirotubularesLos gases de combustión circulan a través de los tubos

que se encuentran sumergidos en el agua.(bajas capacidades y consumo de vapor)

Mario Santizo

Calderas PirotubularesCaldera de vapor pirotubular con capacidad de

producción de 1,200 Kgs./h. de vapor, con quemador de fuel-oil. En primer plano aparecen las

puertas antiexplosión.

Mario Santizo

Calderas PirotubularesCaldera de vapor pirotubular con capacidad de

producción de 1,000 Kgs./h. de vapor, con quemador de fuel-oil.

Mario Santizo

Calderas PirotubularesCaldera de vapor pirotubular con capacidad de producción de 2,500 Kgs/h.y 18,000 Kgs./h. de

vapor, con quemador de fuel-oil.

Mario Santizo

Calderas con capacidades de 6 a 100 hp de calderaCalderas con capacidades de 6 a 100 hp de caldera, Diseño de cuatro pasos de gases de combustion, Caldera del tipo vertical.pCalderas para vapor con capacidades de hasta 1,560 kg-hr

Mario Santizo

Calderas PiroacuotubularesCaldera de vapor piroacuotubular de agua sobrecalentada de 1,000,0000 kcal/h con

quemador de sólidos y de gasóleo

Mario Santizo

Calderas AcuotubularesLos gases de combustión circulan alrededor de los tubos

por cuyo interior circula el agua.(altas capacidades y demanda de vapor: La caldera que se presenta

en esta diapositiva es de muy baja capacidad, debido a la cual presenta una

)configuración diferente a una caldera acuotubular de potencia)

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Calderas AcuotubularesCaldera para una producción de 20,000 Kgs./h. de vapor, a 30 bar de presión de trabajo, vista desde

el calentador de aire.

Mario Santizo

Calderas AcuotubularesCaldera compacta

Mario Santizo

Calderas de combustible sólidoCaldera compacta de agua sobrecalentada de 3,500,000 kcal/h., de combustible sólido. Vista

desde el ciclón depurador de humos.

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Generación de vapor (caldera)Generación de vapor (caldera)Generación de vapor (caldera)Generación de vapor (caldera)

CombustiónCombustiónEficiencia de combustiónfEficiencia de calderaRecuperación de calor en calderas

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Proceso de Proceso de Proceso de Proceso de CombustiónCombustiónCombustiónCombustión

Mario Santizo

QuemadoresQuemadoresQuemadoresQuemadores

combustoleo bi Usos industriales LPGcombustoleo biogas Usos industriales LPG

G /di lGas/diesel o diesel/combustoleo Diesel o

gasoleo

Estos quemadores computarizados de alta eficiencia incluyen analizadores de oxígeno conregulación e impresión, distintos tipos de señales de modulación, recirculación de humos para másbajo NOx dispositivos de variación automática e instantánea de la cabeza de combustión según labajo NOx, dispositivos de variación automática e instantánea de la cabeza de combustión según lapotencia, compensador axial anti-vibraciones, control de tensión electrónico entre válvulas deseguridad, versiones para manejo de aire combustión a alta temperatura.Mario Santizo

Partes de un quemador convencionalPartes de un quemador convencional

Mario Santizo

Mario Santizo

Atomización de combustible y comburenteAtomización de combustible y comburenteAtomización de combustible y comburenteAtomización de combustible y comburente

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLECOMBUSTIBLECOMBUSTIBLEPurga Tanque Primario.Calentamiento (tanque primario a secundario, tanque secundario,

intercambiador de calor y en la caja de viscosidad).Limpieza de filtros de canasta.Presión de atomización del combustible y del airePresión de atomización del combustible y del aire.Temperatura de atomización del combustible.Caja de viscosidad

AIREAIREPresión de atomización.

Mario Santizo

Mario Santizo

Combustión es:Combustión es:Combustión es:Combustión es:Es el proceso que se realiza en el

quemador del generador de vapor el cual transforma la energía químicacual transforma la energía química

del combustible en energía térmica a gtravés de una energía de activación.

Mario Santizo

COMBUSTIONCOMBUSTIONCOMBUSTIONCOMBUSTION

Energía deactivación

Mario Santizo

Reacción de combustiónReacción de combustiónReacción de combustiónReacción de combustiónOxidación del carbono

C + O2 = CO2 + ∆C + O2 CO2 + ∆Oxidación del hidrogeno

H2 + 1/2 O2 = H2O + ∆Oxidación del azufreOxidación del azufre

1/2 S2 + O2 = SO2 + ∆

Mario Santizo

RELACION AIRE/COMBUSTIBLERELACION AIRE/COMBUSTIBLERELACION AIRE/COMBUSTIBLERELACION AIRE/COMBUSTIBLE

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE

EXCESO DE AIREEXCESO DE AIRE

MEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADA

Mario Santizo

Relación OptimaRelación Optimacombustiblecombustible--comburentecomburente

Operar con el mínimoOperar con el mínimoOperar con el mínimoOperar con el mínimoi ibl di ibl dpermisible de permisible de

exceso de aireexceso de aireMario Santizo

Coloración de la llama al operar con el Coloración de la llama al operar con el mínimo permisible de exceso de airemínimo permisible de exceso de aire

rojo obscuro 1000ºFrojo 1350ºFrojo brillante 1500ºFsalmón 1650ºFnaranja 1750ºFamarillo 1850ºFamarillo ligero 2000ºFblanco 2200ºFblanco brillante 2750ºFdeslumbrador 3450ºF

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P é l í i¿Por qué operar con el mínimoi ibl d d i ?permisible de exceso de aire?

Por el efecto refrigerante que ocasiona el Por el efecto refrigerante que ocasiona el f f g qf f g qnitrógeno en el proceso de combustiónnitrógeno en el proceso de combustión

Mario Santizo

Composición del aire de combustiónComposición del aire de combustiónComposición del aire de combustiónComposición del aire de combustión

79 % ES NITROGENO79 % ES NITROGENO21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENOINGRESA A TEMP. AMBIENTEINGRESA A TEMP. AMBIENTEEL NITROGENO NO INTERVIENE EN EL EL NITROGENO NO INTERVIENE EN EL PROCESO DE COMBUSTIONPROCESO DE COMBUSTION

FUNCIONA COMO ELEMENTOFUNCIONA COMO ELEMENTOFUNCIONA COMO ELEMENTO FUNCIONA COMO ELEMENTO REFRIGERANTEREFRIGERANTE

Mario Santizo

ENERGIA ABSORBIDA POR EL NITROGENOENERGIA ABSORBIDA POR EL NITROGENO

TT T t bi t (85 ºF)T t bi t (85 ºF)TT1 1 = Temperatura ambiente (85 ºF)= Temperatura ambiente (85 ºF)TT22 = Temperatura gases de escape (420 ºF)= Temperatura gases de escape (420 ºF)2 2

∆∆H = Cambio H = Cambio entálpicoentálpico ((∆∆h h 420ºF 420ºF -- ∆∆h h 85ºF85ºF))fl j á i d l it ófl j á i d l it óm = flujo másico del nitrógenom = flujo másico del nitrógeno

cálculo

Q = mnitrógeno (∆H)nitrógenoQ ( )

Mario Santizo

RESUMENRESUMENPara optimizar el proceso de combustión se debe Para optimizar el proceso de combustión se debe

tomar en cuenta los siguientes factorestomar en cuenta los siguientes factoresg fg f

Purgar depósitos primarios y secundarios de combustiblePurgar depósitos primarios y secundarios de combustible

Limpieza de filtros de combustible y aireLimpieza de filtros de combustible y aire

Temperatura y presión adecuada del combustibleTemperatura y presión adecuada del combustible..

Presión adecuada del comburente (aire)Presión adecuada del comburente (aire)

Funcionamiento de la caja de viscosidadFuncionamiento de la caja de viscosidad

Operar con el mínimo permisible de aire Operar con el mínimo permisible de aire (del 20 al 35% dependiendo del combustible)(del 20 al 35% dependiendo del combustible)

Capacidad adecuada del quemador Capacidad adecuada del quemador (operarlo entre el 65 al 85% de carga)(operarlo entre el 65 al 85% de carga)p qp q

Mantenimiento del Mantenimiento del modutrolmodutrol

Ajuste y engrase de mecanismosAjuste y engrase de mecanismos móviles (varillas direccionales del aire)móviles (varillas direccionales del aire)Ajuste y engrase de mecanismos Ajuste y engrase de mecanismos móviles (varillas direccionales del aire)móviles (varillas direccionales del aire)

Mario Santizo

Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?

Mario Santizo

EFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DE EFICIENCIA DE COMBUSTIÓNCOMBUSTIÓNCOMBUSTIÓNCOMBUSTIÓN

Mario Santizo

EFECTO ENTRÓPICOEFECTO ENTRÓPICOEFECTO ENTRÓPICOEFECTO ENTRÓPICOEficiencia de combustiónf

FF b ió (3 000 ºF)Fuente:Fuente: combustión (3,000 ºF)Sumidero:Sumidero: gases de escape (420 ºF)Sumidero:Sumidero: gases de escape (420 F)

Incremento entrópicoIncremento entrópico

Mario Santizo

Qué es eficiencia de combustión?fLa energía entrando a la caldera menosl í d h d l dla energía desechada en los gases dechimenea En otras palabras: Es la quechimenea. En otras palabras: Es la queutiliza la caldera de vapor para suoperación (Pérdidas por radiación y convección, por purga y la energía

respecto a la energíaaprovechada por el vapor) respecto a la energíaentrando a la caldera (Energía entrando por el quemador =conversión total de energía química del combustible en energía térmica)

EEcombustióncombustión = 1= 1 –– (Q(Q perdido en gases de chimeneaperdido en gases de chimenea /Q/Q entrandoentrando))Mario Santizo

EEcombustióncombustión 1 1 (Q (Q perdido en gases de chimenea perdido en gases de chimenea /Q/Q entrandoentrando))

Es la eficiencia de combustión lafenergía térmica que aprovecha la

ld d l d h bcaldera de vapor luego de haberse

?“eliminado” la de los gases de escape ?

EEcombustióncombustión = 1 = 1 –– (Q (Q perdido en gases de escape perdido en gases de escape /Q/Q entrandoentrando))

Mario Santizo

Efi i i d b tióEfi i i d b tióEficiencia de combustiónEficiencia de combustión

Energía entrandoEnergía entrando -- perdida en gasesperdida en gasesEnergía entrando Energía entrando perdida en gasesperdida en gases

Energía entrandoEnergía entrando100100

gg

EEcombustióncombustión = 1 = 1 –– (Q (Q perdido en gases de chimenea perdido en gases de chimenea /Q/Q entrandoentrando))

Mario Santizo

Medición de la eficiencia de combustiónMedición de la eficiencia de combustiónmediciones utilizadas para determinar la eficiencia de mediciones utilizadas para determinar la eficiencia de

combustióncombustiónOpción 1

Porcentaje de oxigenoj g

Temperatura de gases de chimenea y ambiente

O ió 2Opción 2

Porcentaje de dióxido de carbono

Temperatura de gases de chimenea y ambiente

Herramientas a utilizar para determinar la Herramientas a utilizar para determinar la ppeficiencia de combustióneficiencia de combustión

Gráficos de O2 o CO2 vrs temperaturaGráficos de O2 o CO2 vrs temperatura

Tablas de O2 o CO2 vrs temperatura

Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?

Mario Santizo

EFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DE EFICIENCIA DE

CALDERACALDERACALDERACALDERA

Mario Santizo

Pérdida de energía en una calderaPérdida de energía en una calderaPérdida de energía en una calderaPérdida de energía en una caldera

Pérdida de calor en gases de chimenea secosPérdida de calor en gases de chimenea secos.Pérdida de calor en los gases de chimenea debido a la humedad del combustiblehumedad del combustible.Pérdida de calor debido al hidrogeno contenido en el combustible.combustible.Pérdida de calor debido al combustible no quemado.Pérdida de calor por radiaciónPérdida de calor por radiación.Pérdida de calor debido a la purga de la caldera.

Mario Santizo

Que es eficiencia de caldera ?Que es eficiencia de caldera ?

SiSi restamosrestamos aa lala eficienciaeficiencia dedeSiSi restamosrestamos aa lala eficienciaeficiencia dedecombustión,combustión, laslas pérdidaspérdidas totalestotales dedeenergíaenergía (purga(purga yy radiaciónradiación--convección)convección) sese obtieneobtiene lalafi i ifi i i dd ldldeficienciaeficiencia dede calderacaldera

Mario Santizo

fi i i d ldfi i i d ldEficiencia de calderaEficiencia de calderaE.C. = (lb vapor/hr) (H vapor – h agua caldera)

(C b ibl ) (HHV)(Consumo combustible) (HHV)

Caballos de vaporCaballos de vapor

bhp = (lb vapor/hr) (Hv. - ha.a.)(34 5) (970 3)(34.5) (970.3)

Mario Santizo

Eficiencia de calderaEficiencia de calderaEficiencia de calderaEficiencia de calderaEs el porcentaje de energía que se Es el porcentaje de energía que se

utiliza para producir vaporutiliza para producir vaporutiliza para producir vaporutiliza para producir vapor

O sea la eficiencia de combustión menos:1 Pé did1. Pérdida por purga.2. Pérdida por radiación y convección.

Mario Santizo

1 Pérdida por purga1 Pérdida por purga1. Pérdida por purga1. Pérdida por purga

Función de:STD del agua de alimentación d l ldde la caldera.STD del agua de caldera.STD del agua de caldera.Hv a presión de generaciónHliq a presión de generación

Mario Santizo

Cál l d l é didCál l d l é didCálculo de la pérdida por purgaCálculo de la pérdida por purga

% en peso% en peso% P (STD )(100)/STD% P = (STDa.a.)(100)/STDa.c.

% en energía% en energíagg% P = % P(Hliq.)/Hv

H l í ió d ldHv = entalpía a presión de calderaHliq = entalpía sensible a presión q p p

de caldera

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2 Pé did di ió ió2 Pé did di ió ió2. Pérdida por radiación y convección2. Pérdida por radiación y convección

Función de:Emisividad del material superficial.Temperatura promedio superficial de laTemperatura promedio superficial de la caldera.Temperatura ambiente.Área superficial de la calderaÁrea superficial de la caldera.Horas de operación de la caldera.

Mario Santizo

Cálculo de la pérdida radiación y convecciónCálculo de la pérdida radiación y convecciónCálculo de la pérdida radiación y convecciónCálculo de la pérdida radiación y convección

0.174(e)[((Ts + 460)4/100)- (Ta + 460)4/100)) + 0.296(Ts - Ta)5/4

MMBtu/hrpie2MMBtu/hrpie2

(á fi i l d ld )(h ió / ñ )(área superficial de caldera)(hr operación/año)

MMBtu/año

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REGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGAR1 T T 60 ºF1. T gases chimenea = T vapor producido + 60 ºF max

2 Pé did ió di ió 1 5 %2. Pérdidas por convección y radiación < 1.5 %

3 Perdidas por purga de fondo < 3 5 %3. Perdidas por purga de fondo < 3.5 %

4 Porcentaje de carga de caldera > 65 %4. Porcentaje de carga de caldera > 65 %

QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?

Mario Santizo

SIGNIFICAN QUE:SIGNIFICAN QUE:% %

SIGNIFICAN QUE:SIGNIFICAN QUE:E combustión = 82 % a 84 %

E = 77 % a 79 %E caldera 77 % a 79 %Y SIGNIFICAN QUE:Y SIGNIFICAN QUE:

Mario Santizo

E = 82 % a 84 %E combustión = 82 % a 84 %16 a 18 kJ perdidos en en

gases de chimeneagases de chimenea

100 kJ entrando(combustoleo)

Mario Santizo

E ld = 77 % a 79 %E caldera 77 % a 79 %16 18 kJ did16 a 18 kJ perdidos en en

gases de chimenea

100 kJ entrando(combustoleo)

1.5 kJ perdidospor convección

y radiacióny radiaciónoperando la caldera con

un 65 % de carga

3.5 kJ perdidos por purgaMario Santizo

Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?

Mario Santizo

ÁÁCÁLCULO DEL CÁLCULO DEL VAPORVAPORVAPORVAPOR

PRODUCIDOPRODUCIDOPRODUCIDOPRODUCIDOMario Santizo

CÁLCULO DEL VAPOR PRODUCIDO

E caldera = 78 %E caldera 78 %

Base de cálculo

Búnker consumido = 100 gal/hr de búnker requerido

Poder calorífico del combustible = 150 000 Btu/galPoder calorífico del combustible = 150,000 Btu/gal

Vapor producido a 155 psig

Agua entrando a la caldera a 162.21 ºF

Mario Santizo

DATOSOS%78=calderaE

galónQbúnto 00.8kercos =

galMBtu

galBtubúncaloríficopoder 15.0000,150ker ==

lbBtuH psigvapor 8.193,1155 =

lbBtuh Fcalderaagua 17.130º21.162 =

lbBtu

lbBtu

lbBtuH 63.063,117.1308.193,1 =

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=∆

lblblb ⎠⎝Mario Santizo

CÁLCULOSC CU OSh

BtuxgalBtu

hgalconsumidaEnergía 510150000,150100 =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎠⎝

( )h

Btuxh

Btuxvaporproducir

parautilizadaEnergía

55 101171015078.0 =⎠⎞

⎜⎝⎛= ( )

hhpp

⎠⎜⎝

psigah

vaporlbh

BtuxBtu

lbvaporoducción 155000,111011763.063,1

Pr 5 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

( )vaporlblbBtuxgalQvaporlbto 000,11011700.8000,1cos

5 ⎟⎞

⎜⎜⎜⎛

⎞⎜⎜⎛⎞

⎜⎜⎛

= ( )

Q

p

hvaporlbBtugal

p

7356

,000,11000,150

,⎟⎠

⎜⎜⎝

⎠⎜⎜⎝⎠

⎜⎜⎝

vaporlbQ

000,173.56=

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RECUPERACIÓN DERECUPERACIÓN DERECUPERACIÓN DE RECUPERACIÓN DE

CALORCALORCALORCALOR

Mario Santizo

Mario Santizo

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500 Punto de rocío en los gases de chimenea

CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CÁLCULO DEECONOMIZADORES

400

Punto de rocío en los gases de chimenea

t leosmen

ea,

ºF300

combustoleos

ases

de

chi

200 carbón

rocí

o de

ga

1 0 2 0 3 0 4 0 5 000

100

Punt

o de

1.0 2.0 3.0 4.0 5.00

Porcentaje de azufre en los combustóleosDeterminación de la temperatura de salida de los gases dechimenea (el valor más alto de A o B)chimenea (el valor más alto de A o B)

A. Criterio de transferencia de calor:

Tg = T1 + 100 ºF (min)g 1 ( )

B. Punto de rocío de los gases de combustión según porcentajede azufre del combustoleo

Mario Santizo

235

240

CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CÁLCULO DEPRECALENTADORES DE AIRE

215

220

225

230

emo

frío

, º F

Combustoleos

205

210

215

nim

a en

el e

xtre

175

180

185

empe

ratu

ra m

ínCarbón

155

160

165

170

T ef =

Te

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.00150

Porcentaje de azufre en los combustóleosDeterminación de la temperatura de salida de los gases de

hichimenea

Combustibles gaseosos A. Punto de vista económico: Tg (min) = 250 ºF

Combustoleos y carbón A. Determinación de Tg:T = 2 T T Tg = 2 Tef - Ta

Mario Santizo