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8/10/2019 LABORATORIO N 06 Y N 07 - CALDERAS.docx

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LABORATORIO N 06 Y N 07

CONSIDERACIONES PARA LA PRUEBA DE EFICIENCIA EN CALDERASINDUSTRIALES

I.

OBJETIVOS

Diferenciar un tipo de caldera con otro, especficamente por su disposicin de fluido ya sea

PIROTUBULAR o ACUOTUBULAR, valorando sus aplicaciones en la industria.

Seleccionar el mtodo adecuado para determinar la eficiencia de la caldera, as como

reconocer las distintas variables e instrumentacin requeridas a fin de determinar dicha

eficiencia.

I.

FUNDAMENTO TERICO:

A. CALDERAS

Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un

combustible slido, lquido o gaseoso, vaporizan o calientan el agua para aplicaciones industriales. Las

calderas son recipientes cerrados a presin constituidos bsicamente por un casco y tubos, a travs de los

cuales se produce la transferencia de calor, desde los gases de combustin de un combustible quemado en

un quemador.

Mquinas de vapor alternativas de variada construccin han sido usadas durante muchos aos como

agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas

encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por KW de potencia,

necesidad de un mayor espacio para su instalacin e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

B. CLASIFICACIN

Las calderas se clasifican segn diferentes criterios relacionados con la disposicin de los fluidos y su

circulacin, el mecanismo de transmisin de calor dominante, el tipo de combustible empleado, la presin

de trabajo, el tiro, entre otros.

La clasificacin ms comn en nuestro medio es por la disposicin de los fluidos(vapor y gases de

combustin).

CALDERAS PIROTUBULARES

En este tipo de calderas, los gases calientes fluyen por el interior de los tubos que son sumergidos en agua

dentro de un casco. Las presiones de diseo son usualmente de 150 psig y sus capacidades varan entre

100 BHP

1000 BHP, equivalentes a producciones de vapor 3450 lb/h y 34500 lb/h aproximadamente.


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Principales ventajas:

Requieren bajo costo de inversin y son menos costosas que las Acuotubulares debido a la simplicidad

de su diseo

Alcanzan elevadas eficiencias (>80%) Pueden absorber grandes y sbitas fluctuaciones de carga con ligeras variaciones de presin debido al

gran volumen de agua contenido en el casco.

Mayor flexibilidad de operacin.

Inconvenientes:

Mayor tiempo para subir presin y entrar en funcionamiento.

No son empleables para altas presiones.

El 84% de las calderas convencionales del Per son Pirotubulares.

CALDERAS ACUOTUBULARES

En este tipo de calderas el agua fluye a travs de los tubos que son rodeados por gases calientes de

combustin en el interior de un casco. Usualmente, su capacidad se expresa en libras de vapor por hora y

vara en un rango entre 2000 lb/hr hasta 10 millones de lb/hr de produccin de vapor. Otras caractersticas

son las siguientes:

Se emplean para producir vapor de mayores niveles de presin que las calderas pirotubulares

Requieren ms instrumentacin y mayores controles que las pirotubulares.

Son construidos y clasificados como A, D, Q o una de otras varas configuraciones, de acuerdo a los

arreglos de tubos y domos.


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Y si el exceso de aire es muy alto, se gasta parte del combustible para calentar el aire excedente, habiendo

en ambos casos ineficiencia en la caldera. La regulacin del nivel de fogueo en los quemadores se realiza

de tres diferentes maneras en funcin del tamao de las calderas:

Calderas < 40 BHP: todo-nada (On-off) Calderas < 100 BHP: todo-poco-nada (High-Low-Off)

Calderas > 100 BHP: modulante.

b) Cmara de combustin

Tambin llamado hogar, es el espacio donde se aloja la llama, es decir, se produce la combustin y se

transfiere calor por radiacin hacia el agua.

c) Seccin convectiva

Zona donde se transfiere el calor de los gases de combustin al agua a travs de las superficies de

calefaccin (tubos).

d) Chimenea

Ducto por donde se evacuan los gases de combustin despus de transferir su calor al agua, permitiendo a

la vez regular el tiro en la caldera, es decir la presin de vaco que induce a circular a los gases de

combustin y dar forma a la llama.

e) Ventiladores de aire

Proporcionan el aire de combustin. Por lo general son de tipo centrfugo que impulsan el aire a travs de

la caldera.

f) Instrumentacin y controles

Incluyen diferentes dispositivos, siendo los ms importantes:

Presin de vapor.

Nivel de agua dentro de la caldera.

Control del fogueo.

Desde el punto de vista energtico, el control ms importante es el que regula los flujos de aire y

combustible (relacin aire-combustible) hacia el quemador, es decir el exceso de aire.

En calderas menores a 40 BHP el control de combustin es manual, pues el quemador (On-off) al

encender entrega un flujo de combustible constante independiente del aire, cuyo flujo se ajusta

manualmente posicionando un damper de aire, reguladores que ayudan a regular el flujo de aire.

En calderas menores a 100 BHP ya existe un mecanismo (modulador de fogueo o modutrol, varillas,

vlvula de combustible, damper de aire) que permite regular paralelamente el flujo de aire y combustible

en funcin de la posicin de fuego del quemador (High-Low-Off).


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En las calderas mayores a 100 BHP, donde los quemadores son modulantes, el sistema de control est

ms desarrollado, incluyendo un mecanismo (modutrol, varillas, vlvula de combustible, leva, damper de

aire) que permite regular los flujos de aire y combustible en todo el rango de trabajo del quemador. Por lo

general, las calderas peruanas usan controles automticos de tipo mecnico sin anlisis de gases de

chimenea.

D. INSUMOS DE LA CALDERA

Los principales insumos para la generacin de vapor en calderas son los que se describen a continuacin.

a) Energa

Para el funcionamiento de las calderas se requiere de energa: combustible y electricidad.


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El combustible suministra el calor necesario para la conversin del agua en vapor, mediante las

reacciones exotrmicas de sus componentes con el oxgeno del aire.

Los combustibles ms usuales en el Per son los siguientes:

Lquidos: Diesel, Petrleos Residuales.Estos se suministran en camiones cisterna y se almacenan en

tanques a presin atmosfrica.

Gases:Gas Licuado de Petrleo (GLP), Gas natural. El GLP es suministrado en estado lquido y se

almacena en tanques a moderada presin. El Gas natural se suministra por tubera y no requiere

almacenamiento.

Slidos:Carbn, Bagazo. Se suministran en volquetes.

Cada uno de dichos combustibles tiene sus propias caractersticas en cuanto a manejo, almacenamiento,

quemado y produccin de emisiones de chimenea, adems de costo por energa entregada (kcal).

Los combustibles contienen principalmente Carbono (C) e Hidrgeno (H). Otros componentes menores

son Oxgeno (O), Nitrgeno (N), Azufre (S), humedad, y en el caso de los combustibles lquidos y slidos

tambin trazas de metales y cenizas.

La electricidad es necesaria para el accionamiento de los motores de ventiladores (aire de combustin,

gases), bombas de agua de alimentacin y de combustible, compresor de aire de atomizacin (si atomiza

con ello); as como en el calentador de combustible (quemado de Petrleos Residuales).

En una caldera pirotubular promedio ms del 99% del consumo energtico total (kcal), lo representa el

combustible, siendo menos del 1% el consumo elctrico. Ello significa que el aporte energtico a la

caldera es netamente trmico.

b) Agua

El agua es el insumo fundamental para la generacin de vapor. Puede provenir de pozos propios ubicados

en las plantas, de la red pblica u otras fuentes (ros, lagunas, etc.). El agua cruda tomada como tal

contiene sales y otras impurezas que hace necesario su tratamiento antes de alimentarla a la caldera.

c) Otros insumos

Se emplean otros insumos menores, pero tambin importantes, para diferentes fines tales como:

En el tratamiento del agua: sal industrial (regeneracin de resinas ciclo sdico), cidos y lcalis

(regeneracin de resinas ciclo hidrgeno y aninicas), fosfatos, sulfito de sodio, etc.

En el acondicionamiento del combustible (Petrleos Residuales): se utilizan una serie de productos

qumicos para diferentes fines, tales como:


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Aditivospara el manejo del combustible: para reducir los problemas de formacin de lodos y corrosin

causados por el almacenamiento del combustible en virtud de mezclas de combustibles o de su

inestabilidad.

Dispersantes: alquilnaftenos y tolueno. Emulsificantes: alcohol isopropilico.

Inhibidores de corrosin y antioxidantes.

Aditivos para mejorar la combustin: reducen la formacin de holln, CO e Hidrocarburos.

Tpicamente son compuestos organometmelicos deMagnesio, Cobre o Bario.

Aditivos Postllama: se utilizan para reducir problemas de corrosin a alta y baja temperatura,

que tienen lugar despus de la combustin:

Compuestos organometlicos que contienen Magnesio

Compuestos organometlicos de Magnesio y Manganeso

II. MTODO DE PRUEBA

a. Determinacin de la eficiencia trmica

No todo el calor liberado por el combustible en el quemador se aprovecha en forma til para producir

vapor en la caldera, existen prdidas inevitables.

El balance de calor de una caldera se puede representar por la siguiente ecuacin:

A = B + CDnde:

A = calor liberado por el combustible en el quemador

B = calor absorbido por el agua para producir vapor

C = prdidas de calor

Las prdidas de calor ocurren a travs de las siguientes salidas:

1) Gases de combustin emitidos por chimenea.

2) Inquemados (holln y CO) presentes en los gases de combustin.

3) Calor emitido por radiacin y conveccin a travs de las paredes de la caldera.

4) Agua de purga.

La eficiencia energtica de una caldera se determina mediante dos mtodos

Mtodo directo

El mtodo directo determina la eficiencia energtica promedio durante cualquier intervalo de tiempo de

funcionamiento de la caldera (incluyendo el momentneo).

Refleja la influencia de la variacin del estado de operacin de la caldera incluyendo los arranques y

paradas del quemador as como las purgas de la caldera.


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La aplicacin de este mtodo requiere, principalmente, la medicin del vapor generado y del combustible

consumido, que en la mayora de calderas peruanas no es posible realizar por falta de la instrumentacin

correspondiente.

La eficiencia de caldera (E) se calcula empleando la siguiente expresin:

Dnde:

:Flujo de vapor, kg/h:Entalpa del vapor, kcal/kg:Entalpa del agua alimentacin kcal/kg Consumo de combustible, kg/hPoder calorfico del combustible, kcal/kg

Mtodo indirecto

El mtodo indirecto (tambin llamado mtodo de las prdidas) determina, nicamente, la eficiencia

energtica instantnea de la caldera.

Para esto determina primero las principales prdidas de calor, lo cual permite conocer no solo cmo se

distribuye el calor aportado por el combustible; sino tambin facilitar la evaluacin de las actuaciones

para mejorar la eficiencia energtica de la caldera.

La aplicacin de este mtodo se basa sobre todo en el anlisis de gases de chimenea, y no y no requiere la

medicin del vapor generado.El calor perdido es igual a la suma del calor residual contenido en los gases de combustin y el calor que

se transfiere al ambiente a travs de las paredes de la caldera.

La eficiencia energtica se determina empleando la siguiente expresin:

Dnde:

:

Se define como el valor porcentual del cociente entre el calor perdido y el calor de combustin .


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b. Mtodo a seleccionar

En el Per existe la norma NTP 350.3002002: Calderas IndustrialesProcedimiento para

determinacin de la eficiencia trmica de calderas industriales, la cual puede ser usada para calcular la

eficiencia de caldera por el mtodo indirecto o de prdidas.

c. Condiciones del equipo

La caldera debe probarse a su mxima potencia.

La presin de prueba de la caldera debe ser la presin de trabajo nominal y debe permanecer

constante (con una variacin mxima de 5%).

La caldera a probar no debe estar afectada por otros equipos.

Durante la prueba se debe interrumpir las purgas de fondo y de superficie.

Durante la prueba no se debe realizar soplado de holln.

No debe haber fugas de gases de combustin ni infiltraciones de aire.

El contenido de monxido de carbono en los gases de combustin no debe ser mayor de 200

ppmv.

d. Variables a medir

: Temperatura de gases de combustin a la salida de los equipos.

,-: Concentracin de oxgeno en gases de combustin (base seca).,-: Concentracin de monxido de carbn en gases de combustin.: Temperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre al fluido de trabajo.: Temperatura de la superficie exterior de la caldera, que cubre a gases de combustin.:ndice de Bacharach.: Temperatura del aire alrededor de la caldera.: Velocidad del viento.

III. PROCEDIMIENTO DE MEDICIN

Durante la toma de mediciones, la caldera debe estar operando de forma tal que se cumplan las

condiciones del equipo.

Para el anlisis de los gases de combustin se procede as:

Se registra durante 1 hora de operacin, en intervalos de 10 minutos, la temperatura y las concentraciones

de oxgeno y monxido de carbono y el ndice de Bacharach de los gases a la salida del equipo. Luego se

obtiene el promedio de las seis lecturas.


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Para el anlisis de la temperatura de superficie exterior se procede as:

Se deber considerar 2 tipos de superficie exterior: aquella que cubre a gases de combustin (puertas con

o sin refractario) y aquella que cubre al fluido de trabajo, con o sin aislamiento trmico. Se obtiene el rea

de cada tipo de superficie exterior. Se realiza 5 mediciones por seccin.

Se registra las temperaturas de superficie exterior de la caldera, al inicio, a la mitad y al final de la

prueba. Luego se obtiene la temperatura promedio para cada tipo de superficie.

Para analizar la velocidad del viento, registramos dicha velocidad en la proximidad de la caldera.

IV. INSTRUMENTOS Y EQUIPO PARA MEDICIN.

Los instrumentos y equipos para la medicin de los parmetros indicados anteriormente son:

Indicador de presin del vapor generado, manmetro de la caldera (calderas de vapor).

Medidor de flujo para el combustible.

Medidor de flujo del agua de alimentacin.

Termmetro para medir la temperatura del agua de alimentacin.

Termmetros para medir la temperatura del agua a la entrada y salida de la caldera (calderas

de agua caliente).

Indicador de presin del gas combustible.

Indicador de temperatura del gas combustible. *Slo si el combustible es gas.

V. DETERMINACIN DE LA EFICIENCIA

Por tratarse del Mtodo Indirecto, o de prdidas, la eficiencia se determinar mediante la siguiente

expresin:

1) Prdida por la entalpa de los gases de escape secos,

La prdida porcentual de calor debida a la entalpa en los gases de escape, en base seca, se calcula

mediante:

{( ) ,- }

Algunos valores tpicos de kse muestran en la Tabla 1.


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El valor kes la constante de Siegert; puede ser calculado para cualquier combustible, mediante:

,-

La relacin entre los contenidos de dixido de carbono y oxgeno es:

,- ,- ,-

Los valores tpicos de [CO2] MAX se muestran en la Tabla 2.

2) Prdida por la entalpa del vapor de agua en los gases, P2

La prdida porcentual de calor debida a la entalpa del vapor de agua en los gases de escape, se calcula

mediante:

{,- ,- ( )}

3) Prdida por inquemados gaseosos, P3

La prdida porcentual de calor debida a los inquemados gaseosos, se calcula mediante:

*,- ,- ,- +

Los valores de la constante k1, se muestran en la Tabla 3.


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4) Prdida por inquemados slidos, P4

La prdida porcentual de calor debida a los inquemados slidos, se calcula mediante:

5) Prdida por conveccin, P5

La prdida porcentual de calor debida a la conveccin, se obtiene sumando las prdidas porcentuales por

conveccin para cada tipo de superficie exterior, mediante:

( )Dnde:

( ) ( )

( )

( )

6) Prdida por radiacin, P6

La prdida porcentual de calor debida a la radiacin, se obtiene sumando las prdidas porcentuales por

radiacin para cada tipo de superficie exterior, mediante:

( )Dnde:

( ) ( )

[( ) ]

[( ) ]


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VI. CONCLUSIONES

El cabal cumplimiento de las condiciones del equipo ya establecidas anteriormente previos a la

prueba, facilitar llevar con xito dicha prueba en la eficiencia de una caldera industrial, (a esto

apoyar el cumplir con lo establecido por la Normativa Tcnica Peruana) lo cual permitirainterpretar que prdidas persisten y cmo podra optimizarse la eficiencia de la caldera.

El mtodo adecuado para determinar la eficiencia instantnea de la caldera, es el indirecto o de

prdidas, ya que no slo permite cmo se distribuye el calor aportado por el combustible; sino

tambin facilitar la evaluacin de las actuaciones para mejorar la eficiencia energtica de la

caldera.

Se logr reconocer los tipos de caldera, tanto Acuotubular, como Pirotubular, con sus distintos

mecanismos de funcionamiento y los parmetros de operacin a los que individualmente

trabajan para generar vapor.

VII. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES

La Norma Tcnica Peruana: NTP 350.300 (2002) - Procedimiento para determinacin de la

eficiencia trmica de calderas industriales, se aplica a calderas de vapor pirotubulares (hasta

350 psig) y acuotubulares (hasta 450 psig) sin recuperacin de calor, de potencias entre 10 a

1000 BHP, que generan vapor saturado.

Para lograr la mxima eficiencia de las calderas es necesario emplear el menor exceso de aire

posible sin que aparezca demasiado holln por chimenea; as como Lograr una buena mezcla

aire-combustible, ya sea calentando adecuadamente el combustible (Petrleos Residuales) para

lograr una baja viscosidad y fcil atomizacin; teniendo una granulometra adecuada

(combustibles slidos); inyectando a presin suficiente el combustible y el aire (combustibles

lquidos y gaseosos).

VIII.

BIBLIOGRAFA

La Norma Tcnica Peruana: NTP 350.300 (2002), Procedimiento para determinacin de la

eficiencia trmica de calderas industriales, Indecopi.

Gua de Buenas Prcticas en Calderas de Vapor (15 de Diciembre de 2004), Consejo NacionaldelAmbiente, PA Government Services, Inc.

Instalacin, Operacin y Mantenimiento de Calderos Industriales, Ing. Julio Monjars Salvo,TECSUP.

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