1. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

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1 CALDERAS

2 INDICE CALDERAS.- CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS BALANCE DE ENERGÍA EN UNA CALDERA Balance energético en una caldera de vapor de gas natural RENDIMIENTO DE UNA CALDERA Cálculo de rendimiento en una caldera (método directo) Cálculo del rendimiento de una caldera (método indirecto) MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

3 CALDERAS Calderas La caldera es un equipo donde se transfiere la energía obtenida en la combustión de un combustible a un fluido de trabajo.. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Las calderas pueden clasificarse atendiendo a varios criterios: Atendiendo a las necesidades energéticas del proceso: - Calderas de agua caliente - Calderas de agua sobrecalentada - Calderas de vapor saturado - Calderas de vapor sobrecalentado - Calderas de fluido térmico Atendiendo a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de combustión: - Calderas Pirotubulares: Los humos calientes circulan por el interior de los tubos sumergidos en el fluido. - Calderas Acuotubulares: El fluido circula por el interior de los tubos sumergidos en una masa de humos. 2. BALANCE DE ENERGÍA EN UNA CALDERA En el balance de calor de una caldera se estable la siguiente igualdad: CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE Para realizar el balance deberemos: - Establecer una temperatura de referencia (normalmente la temperatura ambiente) - Realizar un balance de masa

4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Considerar el PCI del combustible A continuación se describen los calores que toman parte en el balance de una caldera de vapor. Los cálculos se refieren a la unidad de combustible: Calor entrante. Calor sensible del combustible (Q c ) T c Q c = c c t c [] Donde: c c = Calor específico del combustible [kcal/ud. de combustible] T c = Temperatura de precalentamiento del combustible [ºC] 2. Calor de combustión (Q co ) Q co = PCI [kcal/ud. de combustible]. Calor del aire de combustión (Q a ) Q a = G a c pa Δ t [2] Donde: Δ t = Diferencia de de temperaturas del aire del aire de entrada caliente a la y caldera frío [ºC] y de referencia (ºC) c pa = Calor específico del aire [kcal/kg aire ºC] Se obtiene en la Tabla 2 G a = [kg aire/ Ud. de combustible] Se obtiene de las Tablas de a 5 4. Calor del fluido de entrada (Q fe ) Q fe = fe = hh fe x C a fe b Donde h fe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg] C a = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h) b = consumo horario de combustible 4

5 Calor saliente Calderas. Calor del fluido de salida (Q fs ) Q fe = fs = h fs h x P v fs b Donde h fs = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg) fs Entalpía del fluido de salida [kcal/kg] Pv = Producción de vapor (kg / h) b= consumo horario de combustible 2. Calor de los humos (Q H ) Q gc = x [kg. humos/ud. de combustible] y [kcal/kg humos] [] El calor de los gases de combustión se muestra en las Tablas y 2. Con el % de O 2 y CO 2 se obtiene el caudal de humos (x) expresado en kg de humos/ud. de combustible. Con la temperatura de los humos, y en las mismas tablas, se encuentra la entalpía específica de los humos (y) en kcal/kg humos.. Calor por inquemados gaseosos (Q ig ) Q ig = [ CO] [ CH] [ O ] [% de pérdidas sobre el PCI del combustible] [4] Donde: [O 2 ] = Concentración de O 2 en los humos (%) [CO] = Concentración de CO en los humos (ppm) [CH] = Concentración de CH en los humos (ppm) 4. Inquemados sólidos (Q is ) Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach 5

6 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 5.. Calor por purgas (Q p ) [5] Q p = p h b p [kcal/unidad de combustible] [5] Donde: p = Caudal de purgas en kg/h. h p = Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía de líquido para la presión de generación de vapor. b = Consumo horario de combustible. Para calcular la purga continua necesaria en una caldera hay que realizar un balance de los distintos componentes a controlar. P a = A b + P b A b P = a b [kg/h] Donde: P = Caudal de purga [kg/h] a = Salinidad total en la caldera [ppm]. Se obtiene mira en de las tablas que se presentan a continuación. b = Salinidad total en el agua de aportación [ppm]. Se mide con el conductímetro. A = Caudal de agua de aportación [kg/h] que es el caudal del vapor menos el caudal de condensados que se recuperan. PRESION [kg/cm 2 ] SALINIDAD TOTAL EN CO Ca [mg/l] SILICE EN SiO 2 [mg/l] SOLIDOS EN SUSPENSION [mg/l] CLORUROS EN Cl [mg/l] CALDERAS ACUOTUBULARES Norma UNE-9075 para calderas acuotubulares 6

7 p Calderas PRESION [kg/cm 2 ] SALINIDAD TOTAL EN CO Ca [mg/l] SILICE EN SiO 2 [mg/l] SOLIDOS EN SUSPENSION [mg/l] CLORUROS EN Cl [mg/l] CALDERAS PIROTUBULARES Norma UNE-9075 para calderas pirotubulares 6. Calor por radiación (Q r ) El calor perdido por radiación se calcula midiendo la temperatura y la superficie de la caldera, distinguiendo paredes verticales y horizontales hacia arriba y hacia abajo. En la Tabla 0 del Anexo se indican las pérdidas expresadas en W/m 2 (si multiplicamos por 0,86 las obtendremos en kcal/h m 2 ). Al multiplicar por cada superficie se obtienen las pérdidas kcal/h. Si b es el consumo horario de combustible, las pérdidas por radiación se obtendrán de la forma siguiente: Q r = Kcal / h b [kcal/unidad de combustible] [6] También puede emplearse la Tabla para calcular las pérdidas por radiación en función de la producción máxima del vapor y el índice de carga. Ejemplo: Balance energético en una caldera de vapor de gas natural Una caldera de vapor de gas natural que trabaja h/año produce 20 t/h de vapor a 20 kg/cm 2 y consume Nm /año. La capacidad máxima de caldera es de 25 t/h. Se realiza una purga continua cuyo caudal es de.200 kg/h. El análisis de la combustión revela los siguientes resultados: O 2 = 2% CO 2 = % CO = 500 ppm T HUMOS = 20 ºC 7

8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Se toma como referencia la temperatura ambiente de 20 ºC. Calor entrante: Se consideran una fuente de calor entrante o calor aportado. - Calor de combustión, Q co Q co = PCI = kcal/nm De modo que el calor entrante o aportado es: Q entra = kcal/nm Calor saliente Parte del calor aportado será empleado en la generación del vapor y otra parte se perderá. Se consideran cuatro puntos de pérdida de calor. - Calor de los humos, Q H De la Tabla 2 se obtiene: 5,5 kg/nm 62 kcal/kg Por lo que, aplicando []: Q H = 5,5 kg/nm 62 kcal/kg = 96 kcal/nm - Calor por inquemados Se obtiene de la fórmula [4] y se considera [CO] = [CH] Q ig =

9 Q ig = 0,7% de kcal/nm = 65,7 kcal/nm Calderas - Calor por purgas, Q p De la Tabla 6 se obtiene la entalpía de la purga correspondiente a 20 kg/cm 2 h p = 25,9 kcal/kg.200 kg / h h / año 25,9 kcal / kg Q p = = 49,6 kcal/nm Nm / año - Calor por radiación, Q r El índice de carga de la caldera es 20/25 = 0,8. De la Tabla se obtiene que las pérdidas por radiación son del orden de 2,4% del calor aportado, por lo que: Q r = 0, = 26 kcal/nm 9

10 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS El balance queda de la siguiente forma:. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA El rendimiento de una caldera puede calcularse por dos métodos: - Método directo Donde: P V = Producción de vapor [kg/h] H V = Entalpía del vapor [kcal/kg] P V h fe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg] H V h b PCI fe 0

11 b = Consumo de combustible [Ud. de combustible/h] PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible [kcal/ud. de combustible] Se observa que para poder calcular el rendimiento de la caldera por este método será necesario conocer la producción horaria del vapor así como el consumo de combustible. Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método directo) Tenemos una caldera de vapor de gas natural que trabaja h/año, produce 6 t/h de vapor saturado a 7 kg/cm 2. El consumo anual de gas natural es de Nm. El agua de alimentación está a temperatura ambiente, 20ºC. Calderas De la Tabla 6 se obtiene la entalpía del vapor saturado a 7 kg/cm 2 659,5 kcal/kg 6.000kg / h 7.600h / año 659,5 20 kcal / kg 00 =...84,% Nm / año 9.000kcal / Nm - Método indirecto Si se desconoce la producción de vapor o el consumo de combustible se aplica este método, también conocido como método de las pérdidas separadas. Q Q UTIL APORTADO Como: Q UTIL = Q APORTADO - Q PERDIDAS

12 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Q APORTADO PERDIDAS Q Q APORTADO Q Q PERDIDAS APORTADO Siendo: Q PERDIDAS = Q HUMOS + Q INQUEMADOS + Q PURGAS + Q RADIACION [kcal/ud. de combustible] Q APORTADO = PCI [kcal/ unidad de combustible] Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método indirecto) En una caldera de vapor de gas natural que trabaja h/año se obtiene vapor a 7 kg/cm 2. El análisis de la combustión revela los siguientes datos: O 2 = % CO 2 = 0% CO = 0 ppm T HUMOS = 85 ºC Aplicando la fórmula [] vista en el balance de una caldera y según tabla 2, se puede calcular: Q humos = 6, kg/nm 48,07 kcal/kg= 78 kcal/nm Se estiman unas pérdidas por purgas y por radiación del 5% por lo que se tendrá: Q purgas + Q radiación = 0, = 450 kcal/nm = 86,%

13 4. MEDIDAS PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA A continuación se presentan las medidas de ahorro energético aplicables a las calderas, tanto si son empleadas para la generación de vapor como si se utilizan para el calentamiento de un fluido. Las medidas de ahorro energético que se van a considerar son: 4. Ajuste de la combustión 4.2 Economizadores en calderas 4. Precalentamiento del aire de combustión 4.4 Recuperación del calor de purgas 4.5 Calorifugado de tuberías y tanques 4.6 Eliminación de fugas de vapor 4.7 Mantenimiento de purgadores 4.8 Expansión del condensado de alta presión 4.9 Recuperación de condensados 4.0 Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión 4. Convertidores de frecuencia en ventiladores de combustión y bombas de alimentación en calderas 4.2 Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural Calderas AJUSTE DE LA COMBUSTIÓN Para ver el ahorro por ajuste de combustión habrá que calcular el rendimiento de la caldera antes (n η ci ) y después (n η cf ) del ajuste de combustión. ηcf η A = El ahorro será: η cf cf ci ci Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: AxC Las actuaciones a realizar para mejorar la combustión pueden ser: a) Ajustar la combustión de forma manual

14 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS b) Sustituir los quemadores c) Instalar microprocesadores de combustión, controlando: O 2 O 2 + CO O 2 + CO + Opacidad En función del consumo anual de la caldera, que justifique la inversión, se propondrá la medida a), b) ó c). Ejemplo: Ajuste de la combustión de una caldera de gas natural. Una caldera de vapor genera 7,5 t/h de vapor a 8 kg/cm 2 y consume Nm /año de gas natural se ha obtenido el siguiente resultado tras el análisis de la combustión: O 2 = 8% CO 2 = 7,4% CO = 0 ppm T HUMOS = 200 ºC Con la Tabla 2 se obtiene: 2,7 kg/nm 52,4 kcal/kg Analizador de combustión. Cortesía de TESTO 4

15 Por lo tanto, el calor perdido por los gases de la combustión es: Calderas Q H = 2,7 52,4 =.7 kcal/nm Este calor supone un 2,6% del calor aportado por el combustible (PCI gas natural = kcal/nm ). El resto de pérdidas se estiman en un 5%. Por lo que el rendimiento de la caldera es: Se realiza un ajuste manual de la combustión y se obtiene el siguiente resultado: O 2 = 2,5% CO 2 = 0,5% T HUMOS = 200 ºC Del mismo modo se calculan las pérdidas por los gases de la combustión y las pérdidas por inquemados: Q H = 9,5% Resto = 5,0% Por lo que el rendimiento queda: El ahorro de combustible será: η = -0,26-0,05 = 0,824 = 82,4% η = -0,095-0,05 = 0,855 = 85,5% 85,5 82,4 A = 00 =,6% 85,5 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = kwh(pcs)/año Que equivalen a = 6,5 tep/año Para un precio de gas natural de 2,6 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = /año 5

16 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS ECONOMIZADORES EN CALDERAS Con esta medida se pretende aprovechar el calor contenido en los humos de la combustión que salen de la caldera para precalentar el agua de aportación a la misma. El ahorro por la instalación de un economizador se calculará a través de los rendimientos antes y después de la mejora. Normalmente, estos rendimientos se calculan por el método indirecto. Donde: Q PERDIDAS PCI Q PERDIDAS = Q HUMOS + Q INQUEMADOS + Q PURGAS + Q RADIACION Al instalar un economizador lo único que varía es Q HUMOS pues disminuirá la temperatura de salida de los humos. El ahorro será: f i A f Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: AxC Ejemplo: Instalación de un economizador. Una caldera de vapor de gas natural consume Nm /año para generar 9 t/h a 0 kg/cm 2. El análisis de la combustión tiene el siguiente resultado: 6

17 O 2 = % Calderas T HUMOS = 200 ºC Con estos datos y la Tabla 2, se obtiene: 6, kg/nm 5,5 kcal/kg Por lo tanto, las pérdidas en los gases de la combustión: Q H = 6, kg/nm 5,5 kcal/kg = 872 kcal/nm Este calor equivale al 9,69% del calor aportado (PCI gas natural = kcal/nm ). El resto de pérdidas se estiman en un 6% (pérdidas por inquemados, radiación y purga). η = -0,0969-0,06 = 0,84 = 84,% Se instala un economizador para aprovechar parte del calor que tienen los humos. De esta forma se obtiene que a la salida del economizador la temperatura de los humos es de 80 ºC. Las nuevas pérdidas por humos serán: Q H = 6, kg/nm 48,0 kcal/kg= 78 kcal/nm Que equivalen a un 8,7% del calor aportado 7

18 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS η = -0,087-0,06 = 0,85 = 85,0% El ahorro de combustible será: 85,0 84, A = 00 =,6% 85,0 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = kwh(pcs)/año Que equivalen a = 62,64 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 20.2 /año PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN El empleo de esta medida de ahorro energético tiene como fin el aprovechamiento del calor residual de los humos de combustión de la caldera para el precalentamiento del aire que será empleado en dicha combustión. Precalentador de Aire. Cortesía de KALFRISA 8

19 El uso de precalentadores de aire en calderas, dado el bajo coeficiente global de transmisión de calor entre dos gases, sólo se recomienda como último recuso y siempre que no se pueda utilizar la entalpía de los gases de salida para precalentar otro tipo de fluido (por ejemplo el agua de aporte de red). El ahorro por la instalación de cualquier equipo de este tipo se calculará a través de los rendimientos antes y después de la mejora. Normalmente, estos rendimientos se calculan por el método indirecto. Donde: Q PERDIDAS = Q HUMOS + Q INQUEMADOS + Q PURGAS + Q RADIACION Al instalar un recuperador para precalentar el aire lo único que varía es Q HU- MOS pues disminuirá la temperatura de salida de los humos de la caldera. El ahorro será: η f ηi A = η Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: AxC Ejemplo: Instalación de un recuperador para el precalentamiento del aire de combustión. Una caldera de vapor de gas natural genera 5,5 t/h vapor a 2 kg/cm 2 y consume Nm /año. El análisis de la combustión tiene el siguiente resultado: O 2 = 4% T HUMOS = 20 ºC Q PERDIDAS PCI Con estos datos y la Tabla 2, se obtiene: 7, kg/nm f 56kcal/kg Calderas 9

20 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Por lo tanto las pérdidas en los gases de la combustión: Q H = 7, kg/nm 56 kcal/kg = 958 kcal/nm Este calor equivale al 0,64% del calor aportado (PCI gas natural = kcal/nm ). El resto de pérdidas se estiman en un 6%. η = -0,064-0,06 = 0,86 = 8,6% Se instala un recuperador para aprovechar parte del calor que tienen los humos en precalentar el aire de combustión. De esta forma se obtiene que a la salida del recuperador la temperatura de los humos es de 80 ºC. Las nuevas pérdidas por humos serán: Q H = 7, kg/nm 47,8 kcal/kg = 88 kcal/nm 20

21 Que equivalen a un 9% del calor aportado η = -0,09-0,06 =0,85 = 85% Calderas El ahorro de combustible será: 85 8,6 A = 00 =,9% 85 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = kwh(pcs)/año Que equivalen a = 7,7 tep/año Para un precio de gas natural de 2,2 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = /año RECUPERACIÓN DEL CALOR DE PURGAS La operación de purga consiste en extraer sólidos disueltos y en suspensión de la caldera, ya que al vaporizarse el agua aumenta la concentración de estos sólidos en el agua que queda, lo que provoca problemas importantes. El agua evacuada en las purgas de las calderas de vapor está a elevada temperatura y presión. El calor contenido en el agua de purgas se recupera expansionándola en un tanque y utilizando el líquido y el vapor producidos. El ahorro obtenido gracias a la recuperación de este calor sería: Recuperadores de calor de purgas Cortesía de SPIRAXSARCO Donde: Q = Calor recuperado del condensado o purga n η = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible Q kcal / año A PCI kcal / ud. comb 2

22 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ejemplo: Recuperación del calor de purgas mediante expansión en un tanque flash. Una caldera de vapor de gas natural que trabaja h/año con un rendimiento del 85%, produce 4 t/h de vapor a 2 kg/cm 2. Se realiza una purga continua de 450 kg/h. Esta purga se va a expansionar en un tanque para producir vapor a kg/cm 2 que será enviado a proceso. El vapor producido será: P V = 450 kg h ( 89,7,4) kcal kg kcal kg año ( 650,,4) h = kg/año Por lo tanto, el calor recuperado será: Q = kg/año 650, kcal/kg = kcal/año De esta forma se estima que el ahorro de combustible será: A = kcal año = Nm /año kcal 0, Nm Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 9.5 kwh (PCS)/año Que equivalen a 26,25 tep/año 22

23 Para un precio de gas natural de 2,5 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = /año Calderas CALORIFUGADO DE TUBERÍAS Y TANQUES Instalación de calorifugado de tuberías Los codos, T, injertos, reducciones equivalen en función del diámetro de la tubería, a: -,5 a m de tubería 2-5 a,5 m de tubería 5,5-0 a 2 m de tubería El ahorro producido por el calorifugado de las tuberías y tanques se realiza calculando la diferencia de pérdidas de calor entre los elementos desnudos y calorifugados. Para calcular el calor perdido en accesorios se emplea el ábaco de Wrede (Tabla 40 del Anexo), teniendo en cuenta que una válvula equivale a,8 m de tubería y una brida a 0, m de tubería. Las pérdidas de los elementos calorifugados se calculan por el ábaco del suministrador del aislamiento. Para el cálculo de las pérdidas en tanques y depósitos se utilizan las Tablas 8 y 9 del Anexo. El ahorro será: Donde: kcal h H A h año kcal PCI ud. comb 2

24 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Δ = Diferencia de pérdidas calorifugado y desnuda H = Horas de funcionamiento al año η = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible Ejemplo: Aislamiento de tuberías y válvulas. En una caldera de vapor de gas natural que funciona h/año existen 8 m de tubo de 70 mm de diámetro y 4 válvulas sin aislar. La temperatura del exterior de los tubos es de 20 º C y la temperatura ambiente es de 20 ºC. El rendimiento de la caldera es del 85%. Se calculan las pérdidas de calor en tuberías y válvulas sin aislar a partir del ábaco de Wrede (Tabla 40). Ábaco de Wrede Q tubos = m 280 kcal/m h = 840 kcal/h Q válvulas = 4 (,8 m 280 kcal/m h) = 2.06 kcal/h Q Total = kcal/h Se procede a colocar un aislamiento de 25 mm en las tuberías y en las válvulas de forma que el calor perdido en ellos será el calculado en los ábacos de los 24

25 suministradores (Se va a suponer que las pérdidas dadas por el suministrador son de 0 kcal/m h): Q tubos = m 0 kcal/m h = 0 kcal/h Q válvulas = 4 (,8 m 0 kcal/m h) = 72 kcal/h Q Total = 02 kcal/h El ahorro de combustible será: Calderas A = kcal h kcal 0, Nm ( ) Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 0.40 kwh(pcs)/año Que equivalen a = 2, tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 754 /año h año = Nm /año ELIMINACIÓN DE FUGAS DE VAPOR Siempre que exista una fuga de vapor se tendrá una pérdida energética. Para poder realizar un ahorro energético en este aspecto habrá que localizar y eliminar las fugas de vapor existentes. El caudal de vapor que sale por un orificio viene dado por la expresión: ( ) 2 Q = K d P P + Donde: Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h] d = Diámetro del orificio [mm] P = Presión manométrica del vapor [kg/cm 2 ] K = Coeficiente de valor 0,5-0,45 25

26 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS También puede emplearse la Tabla 45 para el cálculo del caudal de vapor perdido a través de las fugas. El ahorro de energía por eliminar las fugas de vapor será: Q H A = [ud. combustible/año] X Donde: Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h] H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año] X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud combustible] Ejemplo: Eliminación de fugas de vapor. En una caldera de vapor de gas natural se tienen unas fugas localizadas de vapor. En total se han encontrado 0 fugas, 4 de mm de diámetro y 6 de 5 mm de diámetro. La instalación funciona h/año con una producción específica de vapor de 2 kg/nm a 8 kg/cm 2 de presión. De acuerdo con la Tabla 45 el caudal de vapor perdido será: 26

27 Orificios de mm: 27 kg/h Orificios de 5 mm: 75 kg/h El caudal total de vapor perdido: Q = = 558 kg/h El ahorro de combustible por eliminar las fugas de vapor será: A = kg h h año = Nm /año Nm /año kg 2 Nm Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = kwh(pcs)/año Que equivalen a = 209 tep/año Para un precio de gas natural de 2, c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = /año Calderas MANTENIMIENTO DE PURGADORES Un purgador de vapor es una válvula automática instalada en una conducción de vapor para eliminar los condensados y el aire. Los purgadores actúan en función de diversos parámetros físicos, pudiendo ser estos parámetros de tipo mecánico como la densidad, termostático en base a diferencia de temperaturas entre el vapor y el condensado y termodinámico en base a cambios de fase. Uno de los parámetros esenciales para el buen funcionamiento de los purgadores y su máxima eficiencia es una correcta instalación. Una vez comprobado esto, hay que establecer, como objetivo prioritario, un mantenimiento adecuado del mismo. Purgador de vapor Cortesía de Spirax Sarco 27

28 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Si Q es el caudal del vapor que se pierde por los purgadores, el ahorro energético por eliminar dicho defecto será: Q H A = [ud. combustible/año] X Donde: Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h] H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año] X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud combustible] Ejemplo: Mantenimiento de los purgadores Por los purgadores de una caldera de vapor de gas natural se ha estimado que se pierden 40 kg/h de vapor. La instalación funciona h/año con una producción de vapor de 2 kg/nm. El ahorro por eliminar las fugas de vapor será: A = 40 kg kg h h h A = año h kg = año = 2.4 Nm kg /año 2 2 Nm Nm Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = kwh(pcs)/año Que equivalen a = 2 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 6.78 /año EXPANSIÓN DEL CONDENSADO DE ALTA PRESIÓN Esta medida permite emplear el condensado de una utilización de vapor a alta presión para producir más vapor a una presión inferior que podrá ser utilizado en otro punto del proceso productivo. Se trata de expansionar el condensado a alta presión en un tanque para generar vapor y nuevos condensados a una presión inferior. Estos nuevos condensados pueden ser expansionados nuevamente en otro tanque y así sucesivamente. 28

29 En los sucesivos expansionados habrá que llegar a un acuerdo entre el ahorro producido por la expansión y el coste de la instalación de nuevos tanques. Para obtener el ahorro energético se realiza un balance de masa y calor en el tanque de expansión. El ahorro producido por el calor recuperado del condensado sería: Donde: A = η PCI Q[ kcal / año] [ kcal / Ud. de combustible] Q = Calor recuperado del condensado η = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible Ejemplo: Expansión del condensado en un tanque flash. En una instalación que emplea vapor generado en una caldera de gas natural se tiene un caudal de condensados 450 kg/h a 5 kg/cm 2. Se quiere expansionar este condensado para producir vapor flash a 4 kg/cm 2. La producción de vapor será: Calderas P V = kg kcal ,6 4,7 h kg kcal 65,4 4,7 kg = 50,2 kg/h Por lo tanto, el calor recuperado será: Q = 65,4 kcal/kg 50,2 kg/h = kcal/h Si la caldera funciona durante h/año, con un rendimiento medio del 85%, el ahorro de combustible será: A = kcal h h año kcal 0, Nm = 2.80 Nm /año 29

30 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = kwh(pcs)/año Que equivalen a = 29 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 9.55 /año RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS A.Tanque de condensados atmosférico El calor del condensado se recupera en un intercambiador o en un tanque flash, donde se obtiene vapor que se puede emplear en el proceso productivo o en el precalentamiento del agua de aporte a la caldera. El calor del condensado del tanque flash se puede recuperar en un intercambiador de placas. Al introducir el agua en la caldera a una temperatura superior a la del agua de red se obtiene un incremento del rendimiento de la caldera, o lo que es lo mismo, un descenso del consumo de combustible. Como se conoce el rendimiento de la caldera se aplica la fórmula directa para obtener la producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] Depósito de condensados Donde: η = X H V PCI η = Rendimiento de la caldera X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] H V = Entalpía del vapor [kcal/kg] H C = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [kcal/ud. combustible] H C El ahorro de combustible sería: X F X A = X F I 0

31 Donde: X F = Producción específica de vapor después de la mejora X I = Producción específica del vapor antes de la mejora Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: Ax C B.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuito cerrado Esta instalación aprovecha el condensado a una presión intermedia entre la de utilización y la atmosférica. Para ello, el tanque de alimentación se encuentra presurizado y se utiliza una bomba de alimentación a caldera capaz de trabajar a dicha presión. El ahorro se calcula aplicando el mismo método que A pero H C será la entalpía del condensado correspondiente. C.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuito semi-cerrado Esta instalación aprovecha el condensado a la presión de utilización expansionándolo en un tanque flash, produciendo vapor a baja presión que se utiliza en el proceso y el condensado resultante se introduce a la caldera a dicha presión, utilizando una bomba de alimentación a caldera capaz de trabajar en dichas condiciones. Para el cálculo del ahorro: - Por aumentar la temperatura del condensado, se utiliza el mismo método que A. - Por la producción de vapor flash, se utiliza el mismo método la recuperación del calor de purgas. D. Instalación de una Unidad de Recuperación de Condensados (U.R.C.) Una U.R.C es un conjunto formado por: Circuito en bucle con bomba de recirculación, termocompresor, refrigerador de ajuste, eliminador de aire y elementos de medida, capaz de tomar el condensado de la propia línea de condensados y enviarlo directamente a la caldera. Calderas U.R.C. Cortesía de Valsteam Engineering

32 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Este conjunto aporta las ventajas siguientes: - Al enviar el condensado directamente a la caldera desaparecen las pérdidas por revaporización, con lo que hay un ahorro importante de combustible. - El hecho de no pasar por el depósito de condensados, tener toda la instalación a presión y de existir una desaireación continua, mejora el coeficiente de transmisión en los aparatos consumidores de vapor, acorta los tiempos de calentamiento y mitiga la presencia de oxígeno en las conducciones, lo que reduce en gran medida las corrosiones de las mismas, evitando la adición de hidracina u otros inhibidores de oxígeno. - Todo el revaporizado es agua nueva a aportar, por lo que su desaparición hace innecesaria dicha aportación, reduciendo el consumo de agua y su coste de tratamiento. - Paralelamente, la menor adición de agua nueva hace descender el ritmo de concentración de sales disueltas en el interior de la caldera, pudiendo espaciar las purgas de la misma con el consiguiente nuevo ahorro de agua y de combustible. - En el caso de recuperación total de condensados, la purga se hace teóricamente innecesaria y bastaría una pequeña purga cada dos días para mantener perfectamente la salinidad adecuada en la caldera. Ejemplo: Precalentamiento agua de aporte a caldera mediante vapor flash del tanque de condensados atmosférico. Una fábrica de fibras textiles dispone de una caldera de gas natural que genera 5 t/h de vapor saturado a 5 kg/cm 2 para su proceso productivo. Tras emplear el vapor en el proceso, los condensados se introducen en un depósito atmosférico en el que se evacuan 20 kg/h de vapor flash. Se pretende aprovechar el vapor flash para precalentar el agua de aporte a caldera, de 7º C hasta 4,8º C. El rendimiento de la caldera es del 86%, y la producción específica de vapor es de 2, kg/nm de gas natural. Precalentando el agua hasta 4,8º C, la nueva producción de vapor en la caldera se calcula aplicando la siguiente fórmula: X H V PCI H C 2

33 η = Rendimiento de la caldera X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] H V = Entalpía del vapor [kcal/kg] H C = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [ kcal/ud. combustible] Por lo que: ( , ) kcal / kg 0, 86 X X = 2,6 kg/nm gas natural kcal / Nm Calderas El ahorro obtenido será: 2, 6 2, A =,9 % 2, 6 Si el consumo anual de combustible es de kwh(pcs)/año, el ahorro obtenido es de: Ahorro energético = kwh(pcs)/año Que equivalen a = 62 tep/año Para un precio de gas natural de 2,4 c /kwh(pcs) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 9.75 /año COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESIÓN Turbina de vapor. Cortesía ELCOGAS Para instalaciones que precisen vapor a diferentes niveles térmicos, se puede pensar en un sistema de cogeneración con turbina de vapor a contrapresión. En una caldera de vapor se genera vapor a alta presión. Parte de este vapor es enviado a proceso y otra parte a una turbina de vapor. De esta turbina se pueden hacer extracciones a las presiones que se requiera que esté el resto del vapor del proceso.

34 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ejemplo: Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión. Una instalación que funciona h/año requiere 5 t/h de vapor a 5 kg/cm 2, t/h a 6 kg/cm 2 y t/h a kg/cm 2. El vapor proveniente de una caldera de vapor de gas natural a 5 kg/cm 2 se lamina para alcanzar las presiones de trabajo requeridas. Se propone instalar una turbina de vapor a contrapresión en la que se realizarán extracciones a las presiones de trabajo requeridas. El rendimiento mecánico de la turbina es del 97,5%. La instalación quedaría del siguiente modo: La potencia aprovechada en la turbina, suponiendo un rendimiento isoentrópico de 0,65, será: P = kg.000 h kcal kg 666,8 64, ,8 628,5 860 kcal kwh kg h kcal kg 0,975 = 45 kw Esta potencia podrá ser empleada en, por ejemplo, generación de energía eléctrica. Si el rendimiento del alternador es del 96% la generación eléctrica será: h E.E. = 45kW , 96 = kwh/año año 4

35 CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN VENTILADORES DE COMBUSTIÓN Y BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE CALDERAS Convertidor de frecuencia. Cortesía de OMRON Frecuentemente, los ventiladores y bombas de agua de alimentación están muy sobredimensionados, funcionando una gran parte del tiempo en condiciones muy por debajo de las nominales. Por este motivo, el cortatiros y la válvula empleados para la regulación del caudal trabajan en posición muy cerrada durante todo el tiempo. En la regulación de dichas variables, gran parte de la potencia absorbida por los motores de accionamiento se emplea en compensar la pérdida de carga producida en el cortatiros y la válvula. La sustitución de estos sistemas convencionales por sistemas que realizan la regulación de caudal, en base a la variación de velocidad de los motores eléctricos de accionamiento por medio de conversores de frecuencia, evita esta pérdida de energía. Cuando el régimen de trabajo de una caldera de producción superior a 25 t/h varía frecuentemente, siendo durante mucho tiempo menor del nominal, el consumo de energía de los accionamientos del ventilador y de la bomba se puede reducir hasta un 70% y un 25%, respectivamente, de la energía consumida con los sistemas de regulación convencionales. El pay-back de la inversión de este tipo de instalaciones se puede asegurar que, en la mayoría de los casos, es menor de dos años. Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para el ventilador de una caldera En el ventilador de una caldera de gas natural se han medido los siguientes parámetros: Potencia Caudal de aire % Carga absorbida [kw] [kg/h] 00% % % Calderas 5

36 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS La caldera trabaja h/año: h/año lo hace a un 50% de carga h/año lo hace a un 5% de carga Como el caudal es de la forma Q = K N, para la carga al 50% se puede relacionar: Q Q 2 K N K N N N 2,74 Como la potencia es de la forma P = K N, para la carga al 50% se puede relacionar: P P 2 N N 2 N N 2 P P 2 2 2,74 0, 275 P P 2 0,275 P2 50 0,275 4,866 kw Operando de la misma manera para una carga de 5%: Q N En el caudal 8, Q N.000 En la potencia 8, P P N N Luego, P 50 0, 8, 0865 kw El ahorro de energía obtenible sería: A. Energético = kwh/año Que equivalen a = 44 tep/año Para un precio de la energía eléctrica de 7, c /kwh se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = /año 6

37 Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para la bomba de alimentación de caldera. En la bomba de alimentación de una caldera se han medido los parámetros siguientes: % Carga Potencia absorbida [kw] 50% 25 0% 20 La caldera trabaja h/año: h/año lo hace a un 50% de carga h/año lo hace a un 0% de carga En base a la curva característica de la bomba de agua de alimentación de la caldera se tiene: Carga de la caldera 50% Caudal de agua 5 m /h Actual H = 25 kg/cm 2 Previsto (con variador de velocidad) H 2 = 5 kg/cm 2 La potencia absorbida en la situación actual y teniendo en cuenta el variador de velocidad, para caudales iguales: 0 Q H P = η 0 Q H P 2 = η 2 2 Calderas P = P 2 H η 2 H η 2 η η 2 = 0,9, P P 25 = 0,9 P2 = 0, P - Al 50% de carga: P 2 = 0,67 25 = 6,75 kw - Al 0% de carga: P = 0,67 20 =,4 kw 7

38 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS El ahorro de energía obtenible sería: A. Energético = kwh/año Que equivalen a = 4,5 tep/año Para un precio de la energía eléctrica de 7, c /kwh se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 4.26 /año SUSTITUCIÓN DE UNA CALDERA ELÉCTRICA POR CALDERA DE GAS NATURAL Mediante esta propuesta de mejora se calcula el ahorro obtenido al sustituir las calderas eléctricas de una fábrica por una caldera de gas natural. Caldera de gas natural Ejemplo: Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural En una empresa textil se dispone de 2 calderas eléctricas para calentar un fluido térmico (difenilo), que se demanda para el proceso productivo en estado líquido a (250º C y 2 kg/cm 2 ) y en estado gaseoso (a º C y 0,5 0,6 kg/cm 2 ). La potencia total instalada en las calderas es de 847 kw, funcionando con un grado de carga medio del 50%. Mediante el difenilo se obtiene energía térmica a altas temperaturas que se precisa en diferentes puntos de consumo. Se propone sustituir las calderas eléctricas por una caldera de gas natural que genere el fluido térmico a la máxima presión demandada, regulando la temperatura en cada punto de consumo mediante válvulas reductoras de presión y válvulas de tres vías. El consumo de las calderas eléctricas, para un funcionamiento anual de h/año, es: 847 kw h/año 0,5 =.0.00 kwh/año = 826 tep/año 8

39 El rendimiento de las calderas eléctricas para un grado de carga medio del 50% es del 85%, por lo que la energía térmica generada es de:.0.00 kwh/año 0,85 = kwh/año El consumo de la caldera de gas natural para producir esta energía térmica demandada, para un rendimiento de la caldera del 75%, es el siguiente: kwh/año / 0,75 / 0,9 = kwh (PCS)/año = 22 tep/año El ahorro energético sería, por lo tanto de: Ahorro energético = = 504 tep/año Ahorro económico para un precio de energía eléctrica de 7,8 c /kwh y gas natural de 2, c /kwh: A. Económico = kwh c kwh c , , = /año año kwh año kwh Calderas 9

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