60221721 1 5 eficiencia en calderas(1)
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INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO: MANTENIMIENTO BÁSICO DE CALDERAS ACUOTUBULARES
Eficiencia en Calderas
Unidad
1 Sección 5
Eficiencia en Calderas
Eficiencia en Calderas
ii
Tabla de contenido
1.5. EFICIENCIA EN CALDERAS.......................................................................... 1
1.5.1. Factores operativos y de mantenimiento que afectan la
eficiencia en calderas ........................................................................................... 1
1.5.2. Las pérdidas ...................................................................................... 4
1.5.2.1. Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión (Pcs) ........................... 5
1.5.2.2. Pérdidas por calor latente en los humos (Pcl) .......................................................... 6
1.5.2.3. Pérdidas por inquemados sólidos o gaseosos (Pi) ................................................ 7
1.5.2.4. Pérdidas por exceso de aire innecesario (Pea) ......................................................... 8
1.5.2.5. Pérdidas por radiación y convección a través de la superficies de la caldera9
1.5.2.6. Pérdidas en los caudales de purga (Pp) ..................................................................... 9
1.5.3. Cálculo de la eficiencia .................................................................. 11
1.5.4. Programas de uso racional de energía en sistemas de vapor 12
Bibliografía .............................................................................................................. 19
Eficiencia en Calderas
1
1.5. EFICIENCIA EN CALDERAS
La energía es un indicador determinante en la estructura de costos de un proceso
productivo.
El uso racional de energía constituye un elemento esencial para garantizar la calidad de
los productos y/o servicios, reducir costos de producción, conservar recursos naturales
para nuestras futuras generaciones y disminuir las emisiones contaminantes al medio
ambiente.
Actualmente la eficiencia energética es la fuente principal de crecimiento de la economía
de una empresa, una ciudad y un país.
Una de las medidas más importantes para evaluar el funcionamiento de una caldera es su
eficiencia, que se define por la proporción de calor útil producido que absorbe el agua y el
vapor en la caldera (considerando las múltiples pérdidas) frente a la cantidad de
combustible consumido.
La eficiencia total de una caldera es el producto de cada una de las eficiencias de todos
los elementos que la componen, como lo son los equipos de recuperación de calor tales
como economizador, pre-calentador, entre otros.
Esta sección presenta los conceptos relacionados con la eficiencia en calderas, como: los
factores que la afectan, las principales pérdidas de energía en calderas y el cálculo de la
eficiencia. Por otra parte se presenta parte de un recurso electrónico educativo, apoyado
por la Unidad de Planeación Minero Energética del Ministerio de Minas y Energía de
Colombia, donde se presenta un programa de eficiencia energética y uso racional en el
sector industrial en sistemas de vapor.
1.5.1. Factores operativos y de mantenimiento que afectan la eficiencia en calderas
El objetivo de una caldera, además de generar vapor, es realizar con la máxima eficiencia
posible la transferencia de calor, es decir, la porción de calor liberado en el horno que es
absorbido por los fluidos en los elementos de la caldera1.
Los factores que afectan la eficiencia y que dependen de una operación y un
mantenimiento adecuado en la unidad, son variables que podemos controlar de algún
modo.
En las calderas se dan dos procesos:
La transformación de la energía química del combustible en calor.
La transmisión de este calor al agua y vapor.
1 (Rodríguez Guerrero, 2000, pág. 79)
Eficiencia en Calderas
2
Para conseguir un buen aprovechamiento energético es necesario que la eficiencia de
estos dos procesos sea la máxima posible, es decir, que las pérdidas inherentes de los
mismos sean mínimas.
En el proceso de transformación de la energía química del combustible en calor (proceso
de combustión y ajuste de los quemadores), los factores a controlar por el operador de la
caldera son principalmente2:
El exceso de aire. La longitud y posición de la llama.
La turbulencia del aire/combustible a la salida del quemador (velocidad de rotación del aire).
La turbulencia en el hogar.
La temperatura de combustión. La distribución del aire.
El proceso transmisión de este calor al agua y vapor está muy ligado al estado de
limpieza de las superficies que absorben el calor. Las superficies experimentan dos
problemas que afectan la eficiencia: el ensuciamiento (interno y externo de la tubería) y la
corrosión.
En la figura 19 se observa los dos tipos de ensuciamiento: el ensuciamiento externo de la
tubería, es producido por los productos sólidos de la combustión, como cenizas y el
hollín. El ensuciamiento interno de la tubería, por la baja calidad del agua de alimentación
al interior de la caldera, que genera incrustaciones de calcio, magnesio y sales (figura
20).
Figura 19. Ensuciamiento interno y externo de un tubo
Fuente: Autores
2 (Shield, 1976, pág. 630)
Eficiencia en Calderas
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Figura 20. Se muestra una caldera con incrustaciones antes de ser limpiada y después de la limpieza
Fuente: Chemical Technology.
La reducción en la producción de vapor que se produce debido a depósitos que se forman
durante la operación de una caldera, puede ser de un 10% y, en casos extremos, se ha
observado hasta un 25%.
Estos depósitos que alteran la superficie de transmisión de calor ensuciándolas o
incrustándose se deben principalmente a al tipo y calidad del combustible.
Por el tipo de combustible sea:
Carbón Pulverizado Fuel oil ó
Gas natural
En los combustibles sólidos una combustión eficaz depende principalmente del grado de
molienda o pulverización del carbón, de la humedad del carbón y la cantidad de ceniza.
En un combustible líquido se logra una combustión más efectiva, a través de la
atomización del líquido en pequeñas partículas, formando una nube de vapor.
La eficiencia de la atomización depende del diseño de inyector de combustible o de la
boquilla del quemador; de la naturaleza del combustible independientemente de su
homogeneidad, y de la viscosidad del combustible y de la tensión en la superficie de
este3. Las gotas más grandes de combustible no se queman completamente, lo que
provoca la formación de hollín y partículas carbonosas que no pueden quemarse de
manera íntegra y propician la deposición de hollín.
El gas natural es combustible que se quema más fácilmente, tiene un desempeño
eficiente, es limpio y muy poco contaminante.
El consumo de combustible evidentemente afecta el costo de generación de vapor. En la
elección de un combustible, se debe considerar el menor costo especialmente si son
líquidos o sólidos, porque dan lugar a un mayor ensuciamiento en el exterior de tubos y
3 (Rodríguez Guerrero, 2000, pág. 85)
Eficiencia en Calderas
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por tanto, mayor corrosión. Por lo que una producción económicamente óptima deberá
considerar aparte de los costos de combustibles, la pérdida de eficiencia en la transmisión
de calor por ensuciamiento, los costos de limpieza y mantenimiento de las calderas, la
duración de un ciclo de producción entre limpiezas y la reparación o reemplazo de las
partes afectadas por la corrosión ocasionada.
Por la calidad del combustible, sea:
El contenido de azufre en el combustible. El contenido de cenizas y temperatura de ignición.
El contenido de vanadio, sodio y otras sales.
El azufre presente en combustible normalmente no se transforma totalmente a dióxido de
azufre, sino que una pequeña porción se oxidará a trióxido de azufre. Cuando éste
reacciona con vapor de agua, se forma ácido sulfúrico.
En las zonas de bajas temperaturas, el ácido sulfúrico condensa sobre aquellas
superficies que tienen temperaturas por debajo de su punto de rocío y como se sabe es
un líquido corrosivo que afectara a dicha superficie4.
El contenido de algunos elementos en los combustibles como los mencionados
anteriormente son los causantes del ensuciamiento y oxidación. En los sectores fríos se
depositan los compuestos de bajo punto de fusión. Mientras en los sectores de altas
temperaturas como el sobrecalentador, tuberías del hogar y la zona de convección se
depositan compuestos de alto punto de fusión como lo son los vanadatos y sus sales.
1.5.2. Las pérdidas
A continuación profundizaremos en las pérdidas de energía que se acarrean de no ser
manejados los diversos factores que fueron mencionados anteriormente y que disminuyen
la eficiencia en una caldera.
Algunas de las pérdidas más importantes se mencionan a continuación (figura 21)
a) Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión (Alta temperatura) (Pcs). b) Pérdidas por calor latente en los humos (Pcl). c) Pérdidas por inquemados sólidos o gaseosos (Pi). d) Pérdidas por exceso de aire innecesario (Pea). e) Pérdidas por radiación y convección a través de las superficies de la caldera (Prc). f) Pérdidas en los caudales de purga (Pp).
Las cuatro primeras pérdidas están ligadas a las altas temperatura, contenido de
productos inquemados y la cantidad de los gases de combustión que salen por la
chimenea.
4 (Rodríguez Guerrero, 2000, pág. 86)
Eficiencia en Calderas
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Figura 21. Pérdidas principales en una caldera
Fuente: Autores
1.5.2.1. Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión (Pcs)
Los humos expulsados a la atmósfera a una temperatura superior a la ambiental,
transportan una energía que no se aprovecha. Si la temperatura a la que salen los gases
de combustión es muy alta, estos son aprovechados por medio de la adición de equipos
recuperadores de calor.
Para precalentar el agua de alimentación se usan unos equipos llamados
economizadores, que no son más que intercambiadores de calor que permiten que los
gases calientes de combustión cedan calor al agua de alimentación. Para precalentar el
aire de combustión se pueden emplear unos equipos llamados calentadores de aire, que
son también un tipo especial de intercambiadores de calor, estos permiten que el calor de
los gases de combustión se transfiera al aire que se necesita para combustión5 (figura
22).
5 (Energy Training 4 Europe, 2007)
Ecuación 15. Pérdidas por calor sensible de los humos
Eficiencia en Calderas
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En la Ecuación 15 se tiene que m es la masa de los gases de combustión en los
productos por unidad de masa de combustible, Cphumos es el calor específico de los gases
de combustión, Thumos es la temperatura a la que salen de la chimenea los gases de
combustión y Tref es la temperatura de referencia, normalmente se usa la temperatura del
ambiente.
Figura 22. Eficiencia característica de una caldera acuotubular alimentada con gas.
Fuente: (Shield, 1976, pág. 638)
1.5.2.2. Pérdidas por calor latente en los humos (Pcl)
En el proceso de combustión se produce gran cantidad de agua, debido a la reacción
entre el hidrogeno contenido en el combustible y el oxígeno del aire. Al mismo tiempo este
aire trae consigo cierta cantidad de humedad.
Las propiedades térmicas del agua son tales que la mayor parte de la entalpía del vapor
se debe al calor latente de la vaporización.
Sólo se aprovecha el calor de vaporización del agua si la temperatura de los gases es
menor a la condensación del agua en condiciones atmosféricas. Pero en la mayoría de
calderas existe un límite por debajo del cual no es posible enfriar los gases (150-175ºC),
ya que se podrían producir importantes corrosiones en conductos debido al ácido
sulfúrico, salvo para combustibles con bajo contenido en azufre (gas natural, GLPs).
De la Ecuación 16 se tiene que m es la masa del agua en los productos por unidad de
masa de combustible y hfg es la entalpía de vaporización del agua a la temperatura
determinada. PCS y PCI son los poderes caloríficos del combustible superior e inferior
respectivamente.
Ecuación 16. Ecuación para las pérdidas por calor latente de los humos
Eficiencia en Calderas
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1.5.2.3. Pérdidas por inquemados sólidos o gaseosos (Pi)
Las pérdidas de calor por inquemados son el resultado que suministra el carbono que no
se ha quemado. Éste carbono generalmente se presenta como CO.
Si al observar el color de los humos que salen por la chimenea, son negruzcos la caldera
está tirando combustible a la atmósfera en lugar de quemarlo. Esto puede deberse a la
escasez o mala distribución interior del aire de combustión, a una insuficiente
pulverización o atomización del combustible, entre otros. Para un 1% de contenido de CO
en los humos, las pérdidas ya son importantes, se sitúan alrededor de un 4 a un 7% del
total de las perdidas. La ecuación 17 se puede usar para calcular estas pérdidas6:
Donde m es la masa del CO en los productos por unidad de masa de combustible, PCICO
es el poder calorífico inferior del CO, Vhumos es el volumen de los gases de combustión
por unidad de masa de combustible, % CO es porcentaje de CO contenido en los gases
de combustión y ρco es la densidad del CO.
Figura 23. Analizador de gases usado para determinar los productos inquemados y la temperatura de
salida de los gases de combustión.
Fuente: Portal Cubano de la Energía
6 (Energy Training 4 Europe, 2007)
Ecuación 17. Pérdidas por inquemados (CO)
Eficiencia en Calderas
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1.5.2.4. Pérdidas por exceso de aire innecesario (Pea)
El calor liberado durante la combustión, es independiente del exceso de aire, pero el
aprovechamiento de este calor es inversamente proporcional al incremento del exceso de
aire con el que se trabaja, ya que una parte del calor de la combustión se utiliza en
calentar los humos. Éstos aumentan con el exceso de aire innecesario, disminuyendo la
temperatura máxima.
La figura 24 muestra cual es la relación entre el exceso de aire en el quemador y la
temperatura de los gases de combustión sobre la eficiencia del proceso. Se puede notar
que para un exceso de aire fijo la eficiencia disminuye a medida que la temperatura de los
gases aumenta, lo que indica que no se le está extrayendo toda la energía útil a los
humos y está quedando un remanente importante y susceptible de aprovechamiento. Si
se considera constante la temperatura de los humos, se nota la clara influencia negativa
del exceso de aire, puesto que la eficiencia disminuye debido a que el aire que
adicionalmente ingresa a la combustión consume parte de la energía química
transformada7.
Figura 24. Variación de la eficiencia en función de la temperatura de salida de los humos a diferentes
excesos de aire.
Fuente: ACERCAR
7 (Serrano, 2005, pág. 140)
Eficiencia en Calderas
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Los humos claros no aseguran de por sí un buen funcionamiento. Podría ser que se
estuviera utilizando una cantidad excesiva de aire, lo cual también cuesta dinero, pues
éste “arrastraría” mucho calor por la chimenea impidiendo su aprovechamiento para la
calefacción.
1.5.2.5. Pérdidas por radiación y convección a través de la superficies de la caldera (Prc)
Las pérdidas por radiación y convección son las que genera la caldera con su entorno.
Estas pérdidas dependen principalmente de la temperatura superficial de la caldera, el
movimiento y condiciones del aire alrededor de la unidad, el tamaño de las calderas y de
su aislamiento. Aproximadamente, pueden calcularse de la siguiente manera:
Donde h (W/m2*K) es el coeficiente de transferencia de calor por convección, S es
superficie exterior del contorno de la caldera, Ts es la temperatura superficial media de la
superficie exterior de la caldera y T∞ es la temperatura ambiente8.
Tabla 12.Pérdidas por radiación.
PERDIDAS POR RADIACIÓN EN CALDERAS
Tamaño de la caldera (kg vapor/hora) Pérdidas por radiación (%) 900 000 0.5
45 500 0.7
23000 0.9
9 000 1.0
Menores a 9 000 1.1-3.0 Fuente: Comisión de Nacional del Ahorro de la Energía México (CONAE)
Para reducir las pérdidas de energía por las paredes hay que revisar los refractarios y
aislamientos de las superficies calientes, aumentando su espesor o eligiendo otro tipo si
fuera necesario. No sólo evita pérdidas de energía, sino que también favorece un
ambiente más agradable, evita accidentes y quemaduras e impide entradas de aire o
salidas de gases incontroladas debido a su efecto de sellado. En la tabla 12 se presenta
un estimado de las perdidas por radiación.
1.5.2.6. Pérdidas en los caudales de purga (Pp)
El agua de alimentación introduce continuamente a la caldera sales disueltas y partículas
sólidas sin disolver. Cuando el agua se evapora en el tambor de vapor de la caldera se
separan los sólidos presentes en el agua de alimentación. La excesiva acumulación por
efecto de no eliminar adecuamente estas partículas, genera una concentración que no es
8 (Dpto. Técnico Calefacción Compañía Roca Radiadores, 2009)
Ecuación 18. Ecuación para las pérdidas por convección
Eficiencia en Calderas
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soluble en el agua y que posteriormente se precipitan. Estos precipitados forman
incrustaciones que impiden la óptima transferencia de calor y como consecuencia una
perdida en la eficiencia térmica alrededor del 0.5% y 1% a altas presiones.
Con el objetivo de mantener los niveles aceptables de impurezas, periódicamente y
constantemente se tiene que descargar o purgar agua de la caldera (Blow Down). El
purgado intermitente (o de lodos) es un procedimiento manual que normalmente se
realiza en intervalos de varias horas y que dura unos cuantos segundos. El propósito es
eliminar los sólidos suspendidos que se sedimentan en tambor de lodos y forman lodos
muy espesos. Por su parte, la purga continua tiene como finalidad desechar los sólidos
disueltos que se concentran en el tambor de vapor9. El nivel aceptable de las impurezas
se estipula en las normas ABMA10 (tabla 13).
Un purgado insuficiente puede provocar arrastres de agua en la corriente de vapor, como
también la formación de depósitos. El purgado en exceso provoca desperdicio de energía,
agua y productos químicos. Para recuperar parte de la energía del agua de purga y
mejorar la eficiencia de la caldera es posible hacer pasar el agua de purga a través de
uno o varios intercambiadores de calor. De esta forma, el calor procedente de la
extracción de la purga se usa para calentar una parte de agua de alimentación o el aire de
combustión11.
La cantidad correcta de purga es determinada por varios factores, incluyendo el tipo de la
caldera, presión de operación, tratamiento de agua y la calidad del agua de reposición.
La cantidad de purga va, normalmente, del 4% al 8% de la cantidad de agua de
reposición, pero puede ser tan elevada como el 10% cuando ésta tiene un alto contenido
de sólidos (tabla 14).
Tabla 13. Nivel aceptable de las impurezas según las normas ABMA.
PRESIÓN A LA SALIDA DE LA CALDERA (PSI)
CONTENIDO TOTAL DE SÓLIDOS (PPM)
0-300 3500
301-450 3000
451-600 2500
601-750 2000 751-900 1500
901-1000 1250
1001-1500 1000
1501-2000 750
2000- y más 500 Fuente: (Shield, 1976)
9 (Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE), 2009, pág. 4)
10 ABMA: The American Boiler Manufacturers Association 11 (Rodríguez Guerrero, 2000, pág. 81)
Eficiencia en Calderas
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Tabla 14. Relación entre la pérdida de eficiencia y el porcentaje de purga
PRESIÓN (PSI)
200 400 600 800 Purga (% del agua de reposición) Pérdida Eficiencia (%)
10 3.3 4.0 4.5 5.1
5 1.7 2.0 2.2 2.5
2 0.7 0.8 0.9 1.0
Fuente: (Shield, 1976)
1.5.3. Cálculo de la eficiencia
La eficiencia de una caldera puede ser calculada de muchas maneras. El Método basado
en las medidas directas realizadas de algunos parámetros, es conocido como “método
directo” (ecuación 19). Consiste en medir la energía que entra (cantidad de combustible
consumido) y la energía que sale de la caldera (cantidad total de vapor recalentado)12:
Otro procedimiento para calcular es el método indirecto del cálculo de la eficiencia de una
caldera. Consiste en medir las pérdidas que se producen y, a partir de ellas, obtener el
rendimiento.
12 (Shield, 1976, pág. 631)
Ecuación 19. Ecuación para eficiencia por el método directo
Ecuación 20. Ecuación para eficiencia por el método indirecto
Eficiencia en Calderas
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1.5.4. Programas de uso racional de energía en sistemas de vapor13
El buen uso de los recursos energéticos y la materia prima en el sistema de vapor
representa bajos costos de manufactura y disminución del impacto ambiental. Este control
sobre los recursos puede efectuarse desde la generación del vapor, incluyendo elementos
como buena combustión, aprovechamiento de calores de residuo o disminución de
purgas. En la distribución de vapor este control puede darse teniendo las tuberías
correctamente aisladas, evitando fugas de vapor o recuperando el condensado producido
en los equipos de proceso. Finalmente en los equipos consumidores los potenciales de
ahorro se encuentran en la utilización de aislamientos térmicos, recuperación de calores
de desecho y correcta utilización de trampas de vapor.
Puntualmente se pueden tener ahorro de energía siguiendo las siguientes
recomendaciones:
Realizar análisis periódicos de la combustión y ajustar los quemadores. El ajuste
incorrecto de la relación aire-combustible puede llevar a un gasto adicional de
combustible que puede ser mayor del 10%. Este procedimiento debe llevarse a cabo
utilizando un analizador de gases de combustión. En algunos casos se recomienda
mejorar el sistema de control para mantener los niveles de exceso de aire dentro de lo
recomendado según el tipo de combustible, para lograr combustión completa y
máxima eficiencia.
El aprovechamiento térmico de los gases de la combustión puede ahorrar hasta un
10% en combustible. Para tal fin se puede instalar un precalentador de aire de
combustión o un economizador para el precalentamiento de agua que ingresa a la
caldera consiguiendo aumentar la eficiencia del proceso de generación de vapor. Este
aprovechamiento se puede lograr cuando los gases de combustión se emiten a la
atmósfera a altas temperaturas (generalmente mayores a 230 ºC)
Poner en obra planes de limpieza para mantener el rendimiento del equipo. Se estima
que 2 mm de depósito aumentan el consumo de energía en un 5%. Estos depósitos
disminuyen la transmisión de calor de los gases hacia el agua. De igual manera que
se controla la limpieza al lado de agua se hace al lado de los gases desincrustando de
los tubos el hollín que se adhiere a las superficies.
Generar vapor a una presión que no exceda la requerida por los equipos
consumidores más un valor adicional para asumir las pérdidas en el transporte, ya que
cuando se genera vapor a más de la presión de los proceso se está disminuyendo la
eficiencia global del sistema. Adicionalmente se recomienda operan las calderas al
máximo de capacidad para minimizar las perdidas porcentuales, por encima de 80%
es un valor apropiado.
13 (Betancur Mesa, 2009)
Eficiencia en Calderas
13
Cubrir los recipientes y las líneas de distribución de vapor y retorno de condensado
con aislamiento, para reducir las pérdidas de calor, y aislar adecuadamente los
tanques de condensado.
Al igual que en las calderas las unidades de proceso aumentan su eficiencia y
rendimiento cuando operan cerca de la capacidad nominal.
Evitar el enfriamiento de materiales que deben ser posteriormente recalentados.
En equipos consumidores transformar en continuas las operaciones por baches.
Reducir la cantidad de desechos en el proceso.
Eliminar los equipos consumidores de vapor que se consideren obsoletos.
Reducir las exigencias relativas a energía, manteniendo los estándares de calidad.
Reducir los tiempos de residencia en reactores.
Reparar escapes de conductos, desconectar o descartar conductos fuera de uso.
Establecer un plan de conservación y reparación periódica de controles, válvulas,
trampas y accesorios.
Medir el consumo y verificarlo a intervalos regulares, para identificar cambios.
Instalar trampas de vapor para evitar presencia de condensado en la líneas y equipos
consumidores, evitando perdidas innecesarias de energía y daños en equipos y
accesorios.
Recircular el condensado a la caldera, aprovechando la energía que este posee y los
aditivos químicos que le fueron adicionados.
Aprovechar las purgas y recuperarlas.
Mantener y limpiar los serpentines los equipos intercambiadores de calor en ambas
superficies de transferencia.
Reparar o reemplazar los quemadores deficientes y establecer un programa adecuado
de mantenimiento.
Reemplazar los atomizadores de vapor con atomización de presión para reducir los
requisitos de vapor.
Instalar quemadores que económicamente usen el combustible más eficiente.
Mantener limpios los filtros de las líneas de combustible.
Controlar adecuadamente la posición, geometría y buena luminosidad de la llama para
el proceso.
Ejemplos particulares de uso racional de energía en el sistema de vapor14
Cuando se produce vapor en una caldera para suministrar energía a un proceso en
particular pueden existir pérdidas que en cierto porcentaje son recuperables. Las acciones
encaminadas al aprovechamiento de estas pérdidas pueden ser entre otros, la
recuperación del condensado, la reparación de fugas de vapor o el aislamiento de
tuberías de vapor y/o condensado. A continuación se presentan estas alternativas con el
respectivo análisis termodinámico y económico.
14 (Betancur Mesa, 2009)
Eficiencia en Calderas
14
Recuperación de condensado15: Todo proceso térmico donde se utiliza vapor como
fluido calefactor produce o forma condensado. La presencia de éste en el circuito de
vapor puede bajar el rendimiento térmico de la instalación o averiar elementos del
circuito por el fenómeno de martillo de agua ¨Water Hammer¨, siendo por ello
necesario evacuarlo. Aunque este condensado debe ser desalojado de la red de
distribución o a la salida de los equipos de consumo, es recomendable recuperarlo
para disminuir el consumo de combustible del sistema y los costos debidos al agua
tratada.
Se estima que el aumento del agua de alimentación en (5 – 6) ºC, presenta una
disminución del consumo de combustible de 1%. El ahorro obtenido por recuperar el
condensado puede estimarse según la fórmula de la ecuacion 21:
Ecuación 21. Formulas para calcular el ahorro por condensados (1 de 2)
Fuente: (Betancur Mesa, 2009)
15 (Betancur Mesa, 2009)
Eficiencia en Calderas
15
Ecuación 21. Continuación formulas para calcular el ahorro por condensados (2 de 2)
Fuente: (Betancur Mesa, 2009)
Donde:
V.P: Vapor Producido.
P.R: Porcentaje Recuperable.
C.R: Condensado Recuperable.
T.O: Tiempo de Operación.
T.C: Temperatura de Condensado.
T.A.R: Temperatura Agua de Reposición.
E.R.A: Energía Recuperable en Agua.
E.E.C: Energía Equivalente en Combustible.
P.C.S: Poder Calorífico Superior del Combustible.
C.A: Combustible Ahorrado.
C.C: Costo del Combustible.
C.Ag: Costo del Agua.
Ag.A: Agua Ahorrado.
Fugas de vapor16: Cualquier fuga de vapor en tuberías, equipos o accesorios, es una
pérdida de energía. Algunas veces se cree que una pequeña fuga de vapor no hace
diferencia en la eficiencia global del sistema. Esto es cierto cuando la fuga de vapor
solo se presenta durante un periodo corto de tiempo, pero un sistema con fugas por
periodos largos de tiempo implica pérdidas considerables.
A parte de perder dinero en costo de combustible y agua tratada, las fugas pueden
traer otros problemas como degradación atmosférica. En plantas que se encuentren
16 (Betancur Mesa, 2009)
Eficiencia en Calderas
16
dentro de una edificación, también se puede incrementar la posibilidad de daños en
equipos debido a la corrosión, aumento de ruido y peligro por quemaduras.
Existen diferentes maneras de calcular pérdidas por fugas de vapor. La ecuación de
Napier sirve para estimar de forma aproximada las pérdidas a través de un orificio,
cuyo valor es función del diámetro y la presión (ecuación 22). Es importante anotar
que este método para calcular fugas no es muy preciso, pues no considera la forma
real del orificio y la rugosidad de las esquinas o bordes del orificio que en
circunstancias reales es difícil identificar.
Donde:
d: Diámetro del orificio (mm).
P: Presión Absoluta de Vapor (bar).
PAbsoluta = PManométrica + PAtmosférica
Aislamientos térmicos17: Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o
menor medida, al paso del calor a través de ellos. En algunos materiales la resistencia
es muy baja; como los metales, por lo que se dice de ellos que son buenos
conductores. Los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una
resistencia media. Aquellos materiales que ofrecen una resistencia alta, se llaman
aislantes térmicos.
La utilización de estos recubrimientos en tuberías de vapor disminuye el consumo de
energía, reduciendo las pérdidas de calor a través de las paredes. Pueden
considerarse valores de temperatura de pared por encima de 80 ºC con potencial de
ahorro de energía para ser evaluado. Adicionalmente los aislamientos térmicos
impiden el contacto de operarios con tuberías o equipos que se encuentran a altas
temperaturas.
En toda red de tuberías de vapor y retorno de condensado existen unas pérdidas fijas
debidas al calor que se pierde a través de sus paredes. Para conseguir que estas
pérdidas sean los más pequeñas posibles, ya que no son del todo evitables, se
recurre al aislamiento térmico.
Para calcular los ahorros al aislar un tramo de tubería es necesario conocer la energía
disipada sin aislamiento, valor que es función de la geometría y la temperatura de la
17 (Betancur Mesa, 2009)
Ecuación 22. Ecuación de las pérdidas de flujo vapor a través de un orificio
Eficiencia en Calderas
17
tubería. Posteriormente es necesario conocer la energía disipada si ese tramo se
aislara, valor que es también función de la temperatura y la geometría. La única
diferencia es que en este caso la temperatura debe calcularse. Finalmente la
diferencia entre la energía disipada sin aislamiento y con aislamiento representa el
ahorro obtenido (ecuación 23).
Donde:
h: Coeficiente de Convección = 10-20(W/m2ºC)
θ: Coeficiente de Stephan Boltzman = 5,67x10-8 (W/m K)
e: Emisividad del Material = 0,1-0,8
Asa: Área Superficial Tubería Sin Aislamiento (m2)
Aca: Área Superficial Tubería Con Aislamiento (m2)
Tsa: Temperatura del elemento Sin Aislar (ºC)
Tca: Temperatura del elemento Aislado (ºC)
Ta: Temperatura Ambiente (ºC)
L: Longitud de tubería (m)
Figura 25. Balance de energía
Fuente: (Betancur Mesa, 2009)
Para calcular la temperatura de pared con aislamiento es necesario realizar un
balance de energía, donde se considera que la energía por conducción en la tubería
se disipa al llegar a la frontera por convección y radiación. Así en la ecuación 24:
Ecuación 23. Calor ahorrado en superficies adecuadamente aisladas
Eficiencia en Calderas
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Ecuación 24. Calculo de temperatura de una superficie aislada
Eficiencia en Calderas
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Bibliografía
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