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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.
Mario Santizo
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)
Mario Santizo
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
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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
Mario Santizo
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
Mario Santizo
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
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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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Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?
Mario Santizo
RECUPERACIÓN DERECUPERACIÓN DERECUPERACIÓN DE RECUPERACIÓN DE
CALORCALORCALORCALOR
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
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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
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