Calderas de vapor y eficiencias. Mario Santizo

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1 Calderas de vapor y eficiencias Profesor:

2 USOS DEL VAPOR EN LA INDUSTRIA Indirectamente en intercambiadores de calor. Directamente en el proceso de esterilización, lavado y sanitización. Calentamiento y/o reacciones en corrientes de proceso.

3 SISTEMAS DE VAPOR EN LA INDUSTRIA

4 GENERACION DE VAPOR VALVULA REGULADORA DE PRESION 1 VALVULA REGULADORA DE PRESION 2 Condensado de vapor a 198ºF Agua fresca a 78.8ºF AAA TANQUE DE CONDENSADOS 1 Diam. 8" TANQUE DE CONDENSADOS 2 VAPOR DE CALENTAMIENTO T Retorno calderas a 58 ºC TANQUE DIARIO DE BUNKER F de s 40 ºC Bunker d tanques primarios a 4 D CONDENSADOS DE MANIFOLD RETORNO DE C VAP POR A PROCESO MANIFOLD PRINCIPAL DE VAPOR VAPOR DE CALDERA 400 Bhp VAPOR DE CALDERA 300 Bhp AGUA A ALIMENTACION A CAL LDERAS A 158 ºF Caldera de vapor Cleaver Brooks de 400 Bhp Eficiencia de caldera actual = % Caldera Cleaver Brooks de 300 Bhp Eficiencia de caldera actual = % 1. Retorno de condensado actual = % Eficiencia de caldera mejorada = % Eficiencia de caldera mejorada = % 2. Retorno de condensado mejorado = % 3. Producción de vapor = 34,476,809 lb de vapor/año 4. Costo de 1,000 lbs de vapor = Q Ref Q/gal.

5 Calderas de vapor Pirotubulares Acuotubulares de combustible sólido

6 Calderas Pirotubulares Los gases de combustión circulan a través de los tubos que se encuentran sumergidos en el agua. (bajas capacidades y consumo de vapor)

7 Calderas Pirotubulares Caldera 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.

8 Calderas Pirotubulares Caldera de vapor pirotubular con capacidad de producción de 1,000 Kgs./h. de vapor, con quemador de fuel-oil.

9 Calderas Pirotubulares Caldera de vapor pirotubular con capacidad de producción de 2,500 Kgs/h.y 18,000 Kgs./h. de vapor, con quemador de fuel-oil.

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

11 Calderas Piroacuotubulares Caldera de vapor piroacuotubular de agua sobrecalentada de 1,000,0000 kcal/h con quemador de sólidos y de gasóleo

12 Calderas Acuotubulares Los 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) )

13 Calderas Acuotubulares Caldera para una producción de 20,000 Kgs./h. de vapor, a 30 bar de presión de trabajo, vista desde el calentador de aire.

14 Calderas Acuotubulares Caldera compacta

15 Calderas de combustible sólido Caldera compacta de agua sobrecalentada de 3,500,000 kcal/h., de combustible sólido. Vista desde el ciclón depurador de humos.

16 Generación de vapor (caldera) Combustión Eficiencia de combustión Eficiencia de caldera Recuperación de calor en calderas

17 Proceso de Combustión

18 Quemadores combustoleo biogas Usos industriales LPG Gas/diesel o diesel/combustoleo Diesel o gasoleo Estos quemadores computarizados de alta eficiencia incluyen analizadores de oxígeno con regulación e impresión, distintos tipos de señales de modulación, recirculación de humos para más bajo NOx, dispositivos de variación automática e instantánea de la cabeza de combustión según la potencia, compensador axial anti-vibraciones, control de tensión electrónico entre válvulas de seguridad, versiones para manejo de aire combustión a alta temperatura.

19 Partes de un quemador convencional

20

21 Atomización de combustible y comburente COMBUSTIBLE Purga 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 aire. Temperatura de atomización del combustible. Caja de viscosidad AIRE Presión de atomización.

22

23 Combustión es: Es el proceso que se realiza en el quemador del generador de vapor el cual transforma la energía química del combustible en energía térmica a través de una energía de activación.

24 COMBUSTION Energía de activación

25 Reacción de combustión Oxidación del carbono C+O 2 = CO 2 + Oxidación del hidrogeno H 2 + 1/2 O 2 = H 2 O + Oxidación del azufre 1/2 S 2 + O 2 = SO 2 +

26 RELACION AIRE/COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE EXCESO DE AIRE MEZCLA ADECUADA

27 Relación Optima combustible-comburentecomburente Operar con el mínimo permisible ibl de exceso de aire

28 Coloración de la llama al operar con el mínimo permisible de exceso de aire rojo obscuro 1000ºF rojo 1350ºF rojo brillante 1500ºF salmón 1650ºF naranja 1750ºF amarillo 1850ºF amarillo ligero 2000ºF blanco 2200ºF blanco brillante 2750ºF deslumbrador 3450ºF

29 Por qué operar con el mínimo permisible iibl de exceso de aire? Por el efecto refrigerante que ocasiona el nitrógeno en el proceso de combustión

30 Composición del aire de combustión 79 % ES NITROGENO 21 % ES OXIGENO INGRESA A TEMP. AMBIENTE EL NITROGENO NO INTERVIENE EN EL PROCESO DE COMBUSTION FUNCIONA COMO ELEMENTO REFRIGERANTE

31 ENERGIA ABSORBIDA POR EL NITROGENO T 1 = Temperatura ambiente (85 ºF) T 2 = Temperatura gases de escape (420 ºF) H H = Cambio entálpico ( h 420ºF - h 85ºF ) m = flujo másico del nitrógeno cálculo Q = ( ) mnitrógeno ( H)nitrógeno

32 RESUMEN Para optimizar el proceso de combustión se debe tomar en cuenta los siguientes factores Purgar depósitos primarios y secundarios de combustible Limpieza de filtros de combustible y aire Temperatura y presión adecuada del combustible. Presión adecuada del comburente (aire) Funcionamiento de la caja de viscosidad Operar con el mínimo permisible de aire (del 20 al 35% dependiendo del combustible) Capacidad adecuada del quemador (operarlo entre el 65 al 85% de carga) Mantenimiento del modutrol Ajuste y engrase de mecanismos móviles (varillas direccionales del aire)

33 Alguna pregunta?

34 EFICIENCIA DE COMBUSTIÓN

35 EFECTO ENTRÓPICO Eficiencia de combustión Fuente: combustión (3,000 ºF) Sumidero: gases de escape (420 ºF) Incremento entrópico

36 Qué es eficiencia de combustión? La energía entrando a la caldera menos la energía desechada d en los gases de chimenea. En otras palabras: Es la que utiliza la caldera de vapor para su operación (Pérdidas por radiación y convección, por purga y la energía respecto a la energía aprovechada por el vapor) entrandoalacaldera (Energía entrando por el quemador = conversión total de energía química del combustible en energía térmica) combustión = 1 (Q Ecombustión (Q perdido en gases de chimenea /Q entrando )

37 Es la eficiencia de combustión la energía térmica que aprovecha la caldera de vapor luego de haberse escape?? eliminado la de los gases de Ecombustión = 1 (Q perdido en gases de escape /Q entrando )

38 Eficiencia i i de combustión 100 Energía entrando - perdida en gases Energía entrando Ecombustión = 1 (Q perdido en gases de chimenea /Q entrando )

39 Medición de la eficiencia de combustión mediciones utilizadas para determinar la eficiencia de combustión Porcentaje de oxigeno Opción 1 Temperatura de gases de chimenea y ambiente Opción 2 Porcentaje de dióxido de carbono Temperatura de gases de chimenea y ambiente Herramientas a utilizar para determinar la eficiencia de combustión Gráficos de O 2 oco 2 vrs temperatura Tablas de O 2 o CO 2 vrs temperatura

40 Alguna pregunta?

41 EFICIENCIA DE CALDERA

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

43 Que es eficiencia de caldera? Si restamos a la eficiencia de combustión, las pérdidas totales de energía (purga y radiación-convección) convección) se obtiene la eficiencia i i decaldera

44 Eficiencia i i de caldera E.C. = (lb vapor /hr) (H vapor h agua caldera ) (Consumo combustible) (HHV) Caballos de vapor bhp = (lb vapor /hr) (Hv. - ha.a.) (34.5) (970.3)

45 Eficiencia de caldera Es el porcentaje de energía que se utiliza para producir vapor O sea la eficiencia de combustión menos: 1. Pérdida por purga. 2. Pérdida por radiación y convección.

46 1. Pérdida por purga Función de: STD del agua de alimentación de la caldera. STD del agua de caldera. Hv a presión de generación Hliq a presión de generación

47 Cálculo l de la pérdida por purga % en peso % P = (STDa.a.)(100)/STDa.c. % en energía % P = % P(Hliq.)/Hv Hv = entalpía a presión de caldera Hliq = entalpía sensible a presión de caldera

48 2. Pérdida por radiación ió y convección Función de: Emisividad del material superficial. Temperatura promedio superficial de la caldera. Temperatura ambiente. Área superficial de la caldera. Horas de operación de la caldera.

49 Cálculo de la pérdida radiación y convección 0.174(e)[((Ts + 460) 4 /100)- (Ta + 460) 4 /100)) (Ts - Ta) 5/4 MMBtu/hrpie 2 (área superficial i de caldera)(hr operación/año) MMBtu/año

50 REGLAS DEL PULGAR 1. T = T gases chimenea vapor producido + 60 ºF max 2. Pérdidas por convección y radiación ió < 1.5% 3. Perdidas por purga de fondo <35% Porcentaje de carga de caldera >65% QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES?

51 SIGNIFICAN QUE: E = 82 % a 84 % combustión E = 77%a79% 79 % caldera Y SIGNIFICAN QUE:

52 E =82%a84% 84 % combustión 16 a 18 kj perdidos en en gases de chimenea 100 kj entrando (combustoleo)

53 E = 77%a79% 79 % caldera 16 a 18 kj perdidos en en gases de chimenea 100 kj entrando (combustoleo) operando la caldera con un 65 % de carga 1.5 kj perdidos por convección y radiación 3.5 kj perdidos por purga

54 Alguna pregunta?

55 CÁLCULO DEL VAPOR PRODUCIDO

56 CÁLCULO DEL VAPOR PRODUCIDO E caldera = 78 % Base de cálculo Búnker consumido = 100 gal/hr de búnker requerido Poder calorífico del combustible = 150, Btu/gal Vapor producido a 155 psig Agua entrando a la caldera a ºF

57 DATOS E caldera = 78 % cos to bún ker = Q galón Btu poder calorífico búnker = 150,000 = gal H h vapor 155 psig = 1, Btu lb agua caldera º F = Btu lb MBtu gal Btu Btu H = 1, = 1, lb lb Btu lb

58 CÁLCULOS CU gal Btu 5 Energía consumida = ,000 = 150x10 h gal Energía utilizada producir vapor para 5 Btu 0 150x10 = 117x10 h = (.78 ) 5 Btu h Btu h lb 5 Btu lb vapor Pr oducción vapor = 117x10 = 11,000 a 155 1, Btu h h psig costo 1,000 lb vapor Q gal 5 117x10 Btu gal 150,000 Btu lb vapor 11,000 h 000 Q = ,000 lb vapor = 8.00 ( 1, lb vapor )

59 Alguna pregunta?

60 RECUPERACIÓN DE CALOR

61

62

63 CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CÁLCULO DE ECONOMIZADORES Punto de rocío de ga ases de chi menea, ºF Punto de rocío en los gases de chimenea combustoleos 200 carbón Porcentaje de azufre en los combustóleos Determinación de la temperatura de salida de los gases de chimenea (el valor más alto de AoB) A. Criterio de transferencia de calor: T g = T ºF (min) B. Punto de rocío de Mario los gases Santizo de combustión según porcentaje de azufre del combustoleo

64 T ef = Te emperatura mín nima en el extre emo frío, º F CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CÁLCULO DE PRECALENTADORES DE AIRE Combustoleos Carbón Porcentaje de azufre en los combustóleos Determinación de la temperatura de salida de los gases de chimenea Combustibles gaseosos A. Punto de vista económico: T g (min) = 250 ºF Combustoleos y carbón A. Determinación de T g : T g =2T ef - T a

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