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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 esterilizacin, lavado y

sanitizacin.

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

198F

Agua fresca a 78.8F

VALVULA REGULADORA DE PRESION 1

Retorno calderas a58 C

d

e

s

4

0

C

F

VALVULA REGULADORA DE PRESION 2

VAPOR DE CALENTAMIENTO

B

u

n

k

e

r

d

t

a

n

q

u

e

s

p

r

i

m

a

r

i

o

s

a

4

TTANQUE DIARIO

DE BUNKERAAA TANQUE DECONDENSADOS

1

TANQUE DECONDENSADOS

2

D

Diam. 8"

P

O

R

A

P

R

O

C

E

S

O

C

O

N

D

E

N

S

A

D

O

S

D

E

M

A

N

I

F

O

L

D

Caldera de vapor CleaverBrooks de 400 Bhp

Caldera Cleaver Brooks de300 BhpMANIFOLD PRINCIPAL DEVAPOR

VAPOR DE CALDERA 300 Bhp

VAPOR DE CALDERA 400 Bhp

V

A

P

R

E

T

O

R

N

O

D

E

C

A

A

L

I

M

E

N

T

A

C

I

O

N

L

D

E

R

A

S

A

1

5

8

F

Eficiencia de calderaactual = 76.12 %

Eficiencia de calderamejorada = 85.04 %

Eficiencia de calderaactual = 79.77 %

Eficiencia de calderamejorada = 86.42 %

A

G

U

A

A

C

A

L

1. Retorno de condensado actual = 66.44 %

2. Retorno de condensado mejorado = 95.11 %

3. Produccin de vapor = 34,476,809 lb de vapor/ao

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 slidode combustible slido

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Calderas PirotubularesLos gases de combustin circulan a travs 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

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

puertas antiexplosin.

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Calderas PirotubularesCaldera de vapor pirotubular con capacidad de

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

Mario Santizo

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

vapor, con quemador de fuel-oil.

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

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

quemador de slidos y de gasleo

Mario Santizo

Calderas AcuotubularesLos gases de combustin 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

)configuracin diferente a una caldera acuotubular de potencia)

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

el calentador de aire.

Mario Santizo

Calderas AcuotubularesCaldera compacta

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Calderas de combustible slidoCaldera compacta de agua sobrecalentada de 3,500,000 kcal/h., de combustible slido. Vista

desde el cicln depurador de humos.

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Generacin de vapor (caldera)Generacin de vapor (caldera)Generacin de vapor (caldera)Generacin de vapor (caldera)

CombustinCombustin Eficiencia de combustinf Eficiencia de caldera Recuperacin de calor en calderas

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Proceso de Proceso de Proceso de Proceso de CombustinCombustinCombustinCombustin

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 oxgeno conregulacin e impresin, distintos tipos de seales de modulacin, recirculacin de humos para msbajo NOx dispositivos de variacin automtica e instantnea de la cabeza de combustin segn labajo NOx, dispositivos de variacin automtica e instantnea de la cabeza de combustin segn lapotencia, compensador axial anti-vibraciones, control de tensin electrnico entre vlvulas deseguridad, versiones para manejo de aire combustin a alta temperatura.Mario Santizo

Partes de un quemador convencionalPartes de un quemador convencional

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Atomizacin de combustible y comburenteAtomizacin de combustible y comburenteAtomizacin de combustible y comburenteAtomizacin de combustible y comburente

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLECOMBUSTIBLECOMBUSTIBLE Purga Tanque Primario. Calentamiento (tanque primario a secundario, tanque secundario,

intercambiador de calor y en la caja de viscosidad). Limpieza de filtros de canasta. Presin de atomizacin del combustible y del aire Presin de atomizacin del combustible y del aire. Temperatura de atomizacin del combustible. Caja de viscosidad

AIREAIRE Presin de atomizacin.

Mario Santizo

Mario Santizo

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

quemador del generador de vapor el cual transforma la energa qumicacual transforma la energa qumica

del combustible en energa trmica a gtravs de una energa de activacin.

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COMBUSTIONCOMBUSTIONCOMBUSTIONCOMBUSTION

Energa deactivacin

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Reaccin de combustinReaccin de combustinReaccin de combustinReaccin de combustin Oxidacin del carbono

C + O2 = CO2 + C + O2 CO2 + Oxidacin del hidrogeno

H2 + 1/2 O2 = H2O + Oxidacin del azufreOxidacin del azufre

1/2 S2 + O2 = SO2 +

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

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE

EXCESO DE AIREEXCESO DE AIRE

MEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADA

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Relacin OptimaRelacin Optimacombustiblecombustible--comburentecomburente

Operar con el mnimoOperar con el mnimoOperar con el mnimoOperar con el mnimoi ibl di ibl dpermisible de permisible de

exceso de aireexceso de aireMario Santizo

Coloracin de la llama al operar con el Coloracin de la llama al operar con el mnimo permisible de exceso de airemnimo permisible de exceso de aire

rojo obscuro 1000F rojo 1350F rojo brillante 1500F salmn 1650F naranja 1750F amarillo 1850F amarillo ligero 2000F blanco 2200F blanco brillante 2750F deslumbrador 3450F

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P l iPor qu operar con el mnimoi 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 qnitrgeno en el proceso de combustinnitrgeno en el proceso de combustin

Mario Santizo

Composicin del aire de combustinComposicin del aire de combustinComposicin del aire de combustinComposicin del aire de combustin

79 % ES NITROGENO79 % ES NITROGENO 21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO INGRESA A TEMP. AMBIENTEINGRESA A TEMP. AMBIENTE EL 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 F)T t bi t (85 F) TT1 1 = Temperatura ambiente (85 F)= Temperatura ambiente (85 F) TT22 = Temperatura gases de escape (420 F)= Temperatura gases de escape (420 F)2 2 H = Cambio H = Cambio entlpicoentlpico ((h h 420F 420F -- h h 85F85F)) fl j i d l it fl j i d l it m = flujo msico del nitrgenom = flujo msico del nitrgeno

clculo

Q = mnitrgeno (H)nitrgenoQ ( )Mario Santizo

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

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

Purgar depsitos primarios y secundarios de combustiblePurgar depsitos primarios y secundarios de combustible Limpieza de filtros de combustible y aireLimpieza de filtros de combustible y aire Temperatura y presin adecuada del combustibleTemperatura y presin adecuada del combustible.. Presin adecuada del comburente (aire)Presin adecuada del comburente (aire) Funcionamiento de la caja de viscosidadFuncionamiento de la caja de viscosidad Operar con el mnimo permisible de aire Operar con el mnimo 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 mviles (varillas direccionales del aire)mviles (varillas direccionales del aire) Ajuste y engrase de mecanismos Ajuste y engrase de mecanismos mviles (varillas direccionales del aire)mviles (varillas direccionales del aire)

Mario Santizo

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

Mario Santizo

EFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DE EFICIENCIA DE COMBUSTINCOMBUSTINCOMBUSTINCOMBUSTIN

Mario Santizo

EFECTO ENTRPICOEFECTO ENTRPICOEFECTO ENTRPICOEFECTO ENTRPICOEficiencia de combustinf

FF b i (3 000 F)Fuente:Fuente: combustin (3,000 F)Sumidero:Sumidero: gases de escape (420 F)Sumidero:Sumidero: gases de escape (420 F)

Incremento entrpicoIncremento entrpico

Mario Santizo

Qu es eficiencia de combustin?fLa energa entrando a la caldera menosl d h d l dla energa desechada en los gases dechimenea En otras palabras: Es la quechimenea. En otras palabras: Es la queutiliza la caldera de vapor para suoperacin (Prdidas por radiacin y conveccin, por purga y la energa

respecto a la energaaprovechada por el vapor) respecto a la energaentrando a la caldera (Energa entrando por el quemador =conversin total de energa qumica del combustible en energa trmica)

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

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

Es la eficiencia de combustin lafenerga trmica que aprovecha la

ld d l d h bcaldera de vapor luego de haberse

?eliminado la de los gases de escape ?

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

Mario Santizo

Efi i i d b tiEfi i i d b tiEficiencia de combustinEficiencia de combustin

Energa entrandoEnerga entrando -- perdida en gasesperdida en gasesEnerga entrando Energa entrando perdida en gasesperdida en gases

Energa entrandoEnerga entrando100100

gg

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

Mario Santizo

Medicin de la eficiencia de combustinMedicin de la eficiencia de combustinmediciones utilizadas para determinar la eficiencia de mediciones utilizadas para determinar la eficiencia de

combustincombustinOpcin 1

Porcentaje de oxigenoj g

Temperatura de gases de chimenea y ambiente

O i 2Opcin 2

Porcentaje de dixido de carbono

Temperatura de gases de chimenea y ambiente

Herramientas a utilizar para determinar la Herramientas a utilizar para determinar la ppeficiencia de combustineficiencia de combustin

Grficos de O2 o CO2 vrs temperaturaGrficos de O2 o CO2 vrs temperatura

Tablas de O2 o CO2 vrs temperatura


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EFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DE EFICIENCIA DE

CALDERACALDERACALDERACALDERA

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Prdida de energa en una calderaPrdida de energa en una calderaPrdida de energa en una calderaPrdida de energa en una caldera

Prdida de calor en gases de chimenea secos Prdida de calor en gases de chimenea secos. Prdida de calor en los gases de chimenea debido a la

humedad del combustiblehumedad del combustible. Prdida de calor debido al hidrogeno contenido en el

combustible.combustible. Prdida de calor debido al combustible no quemado. Prdida de calor por radiacinPrdida de calor por radiacin. Prdida 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 dedecombustin,combustin, laslas prdidasprdidas totalestotales dedeenergaenerga (purga(purga yy radiacinradiacin--conveccin)conveccin) 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 energa que se Es el porcentaje de energa que se

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

O sea la eficiencia de combustin menos:1 P did1. Prdida por purga.2. Prdida por radiacin y conveccin.

Mario Santizo

1 Prdida por purga1 Prdida por purga1. Prdida por purga1. Prdida por purga

Funcin de: STD del agua de alimentacin

d l ldde la caldera. STD del agua de caldera.STD del agua de caldera. Hv a presin de generacin Hliq a presin de generacin

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Cl l d l didCl l d l didClculo de la prdida por purgaClculo de la prdida por purga

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

% en energa% en energagg% P = % P(Hliq.)/Hv

H l i d ldHv = entalpa a presin de calderaHliq = entalpa sensible a presin q p p

de caldera

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2 P did di i i2 P did di i i2. Prdida por radiacin y conveccin2. Prdida por radiacin y conveccin

Funcin de: Emisividad del material superficial. Temperatura promedio superficial de la Temperatura promedio superficial de la

caldera. Temperatura ambiente. rea superficial de la caldera rea superficial de la caldera. Horas de operacin de la caldera.

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Clculo de la prdida radiacin y conveccinClculo de la prdida radiacin y conveccinClculo de la prdida radiacin y conveccinClculo de la prdida radiacin y conveccin

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

MMBtu/hrpie2MMBtu/hrpie2

( fi i l d ld )(h i / )(rea superficial de caldera)(hr operacin/ao)

MMBtu/ao

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REGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGAR1 T T 60 F1. T gases chimenea = T vapor producido + 60 F max

2 P did i di i 1 5 %2. Prdidas por conveccin y radiacin < 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 combustin = 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 combustin = 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 conveccin

y radiaciny radiacinoperando la caldera con

un 65 % de carga

3.5 kJ perdidos por purgaMario Santizo


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CLCULO DEL CLCULO DEL VAPORVAPORVAPORVAPOR

PRODUCIDOPRODUCIDOPRODUCIDOPRODUCIDOMario Santizo

CLCULO DEL VAPOR PRODUCIDO

E caldera = 78 %E caldera 78 %

Base de clculo

Bnker consumido = 100 gal/hr de bnker requerido

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

Vapor producido a 155 psig

Agua entrando a la caldera a 162.21 F

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DATOSOS%78=calderaE

galnQbnto 00.8kercos =

galMBtu

galBtubncalorficopoder 15.0000,150ker ==

lbBtuH psigvapor 8.193,1155 =

lbBtuh Fcalderaagua 17.13021.162 =

lbBtu

lbBtu

lbBtuH 63.063,117.1308.193,1 =

=

lblblb Mario Santizo

CLCULOSC CU OSh

BtuxgalBtu

hgalconsumidaEnerga 510150000,150100 =

=

( )h

Btuxh

Btuxvaporproducir

parautilizadaEnerga

55 101171015078.0 =

= ( )hh

pp

psigah

vaporlbh

BtuxBtu

lbvaporoduccin 155000,111011763.063,1

Pr 5 =

=

( )vaporlblb BtuxgalQvaporlbto 000,11011700.8000,1cos5

= ( )

Q

p

hvaporlbBtugal

p

7356

,000,11000,150

,

vaporlbQ

000,173.56=

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RECUPERACIN DERECUPERACIN DERECUPERACIN DE RECUPERACIN DE

CALORCALORCALORCALOR

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500 Punto de roco en los gases de chimenea

CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CLCULO DEECONOMIZADORES

400

Punto de roco en los gases de chimenea

t leosme

n

e

a

,

F

300

combustoleos

a

s

e

s

d

e

c

h

i

200 carbn

r

o

c

o

d

e

g

a

1 0 2 0 3 0 4 0 5 000

100

P

u

n

t

o

d

e

1.0 2.0 3.0 4.0 5.00

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

A. Criterio de transferencia de calor:

Tg = T1 + 100 F (min)g 1 ( )

B. Punto de roco de los gases de combustin segn porcentajede azufre del combustoleo

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235

240

CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CLCULO DEPRECALENTADORES DE AIRE

215

220

225

230

e

m

o

f

r

o

,

F

Combustoleos

205

210

215

n

i

m

a

e

n

e

l

e

x

t

r

e

175

180

185

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

m

n

Carbn

155

160

165

170

T

e

f

=

T

e

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.00150

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

hichimenea

Combustibles gaseosos A. Punto de vista econmico: Tg (min) = 250 F

Combustoleos y carbn A. Determinacin de Tg:T = 2 T T Tg = 2 Tef - Ta

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Generacin de vaporProceso de combustinEficiencia de combustinEficiencia de calderaCalculo del vapor producidoRecuperacin de calor

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