curso de hornos de proceso
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Curso de hornos de procesoTRANSCRIPT
PowerPoint PresentationQuemadores
Tiene como objetivo liberar, en proporciones correctas y con suficiente energía de mezcla, el combustible y el aire en la zona de combustión.
Debe proporcionar una combustión completa, continua y con adecuada forma de llama.
Básicamente pueden diferenciarse dos tipos de quemadores:
Standard.
Piloto
Motivado por el énfasis creciente sobre conservación de energía en los últimos años, el interés por instalar equipos de precalentadores de aire de combustión ha crecido. Este método de recuperar calor de desecho es uno de los dos métodos principales para optimizar la eficiencia térmica de equipos de combustión. El consumo de combustible puede disminuir marcadamente mediante el precalentamiento del aire de combustión.
Rev. 0 – 20/07/06
Quemador
Este es el esquema de un horno de procesos típico. El horno está conformado por una chimenea, una sección de convección, una sección de radiación, una superficie refractaria y quemadores. Se denomina sección de escudo a las primeras filas de la convección. Estos tubos además de recibir calor convectivo, reciben radiación. Las paredes y techos del horno se encuentran cubiertas por materiales que reducen las perdidas de calor y lo devuelven a los tubos.
Rev. 0 – 20/07/06
Tipos de Hornos de Proceso
Existen distintos tipos de Hornos de procesos, entre los más comunes se encuentran:
Cilíndrico Vertical.
Cabina Horizontal.
Cilíndrico Vertical
En la figura se muestra las principales características del horno. La sección de radiación incluye los tubos horizontales al lado de las paredes y en el techo inclinado del horno (“Hip section”). La sección de convección se extiende sobre todo lo largo de la sección de radiación. Los quemadores están normalmente ubicados en el piso del horno en fila por debajo del centro de la cabina y queman verticalmente, pero no es extraño encontrar diseños con quemadores montados en las paredes extremas ó intermedias, por debajo del serpentín.
Este tipo de hornos han sido construidos hasta de 500 MM BTU/h(150 MW) de calor absorbido. Sin embargo, en tamaños más pequeños como 120 MM BTU/h (35 MW), los hornos verticales–cilíndricos son mucho más económicos. Este diseño altamente eficiente y económico, representa, actualmente la mayoría de instalaciones nuevas de hornos con tubos horizontales.
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Cabina Horizontal
En términos de costo de refinación, el horno es uno de los equipos más importante dentro de una refinería. Es imprescindible, para lograr una operación segura, entender su funcionamiento.
Debido al combustible y aire que se combinan dentro del horno, existen riesgos de explosiones por una operación inapropiada.
A menudo las alimentaciones de los hornos en las refinerías cambian de Fuel oil a Fuel gas / Gas Nat , dependiendo de ciertas restricciones del mercado de gas .
En otros casos las capacidades de las Unidades han sido incrementadas y el Horno pasa a operar en condiciones mas exigentes mientras que otros en cambio pueden estar operando por debajo del requerimiento de diseño .
Sin embargo un Horno de Proceso es un elemento complejo, donde no debe perderse de vista el criterio de “Optimización Energética” y sus posibilidades mecánicas y de control Operativo para lograrlo .
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Operación del Horno
En términos de costo de refinación, el horno es uno de los equipos más importante dentro de una refinería. Gran parte del calor utilizado es agregado directamente a la carga que pasa por el horno.
En una refinería o planta petroquímica se utilizan grandes cantidades de energía y para alcanzar los mínimos costos operativos, el horno debe operar en su máxima eficiencia.
Es importante destacar que un horno eficiente, es un horno operado en forma segura.
Los productos de combustión formados por la quema de combustible y aire, irradian calor a los tubos, después pasan a través del escudo a la sección de convección entregando más energía al proceso. Finalmente, los gases son descargados a la atmósfera por medio de la chimenea.
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Fundamentos de los Hornos
Con el objetivo de operar un horno en forma eficiente y segura, es necesario entender los principales principios de operación. Los puntos a tratar serán:
Circulación del fluido de procesos.
Tiraje.
Circulación del fluido de procesos
La distribución del fluido circulante a la entrada es muy importante, para ello el control del paso del fluido a través de los ramales evita desbalancear la carga y generar sobrecalentamientos localizados y coquización . Asimismo se logra una temperatura uniforme de salida.
Otra variable a controlar es la perdida de carga a través de los ramales y el régimen del fluido circulante .Una muy elevada velocidad puede generar daño erosión y/o vibraciones .
Antes de encender mecheros, se ha de establecer circulación de producto por el interior de los tubos del horno, excepto en el caso de que se encienda solo un mechero de gas para mantener la temperatura de 200ºC en el techo de radiación.
Tiraje balanceado
Hablamos de tiraje balanceado en aquellos casos donde se cuenta con ventiladores y recuperadores de calor (precalentamiento de aire de entrada ).
Tiraje natural de un Horno
En este tipo de hornos, el tiraje es generado por la chimenea. Los gases calientes se elevan en el interior del horno debido a que pesan menos que al aire frío en el exterior. El aire que entra por los quemadores, reemplaza al que sale por la chimenea.
Transferencia de Calor
El objetivo de un horno de procesos es calentar su carga trasfiriéndole el calor de los gases de combustión. Dos tipos de intercambio de calor ocurren. Radiación y convección.
Muestras de Gas Combustibles
La única manera de cuantificar el exceso de aire con el que opera un horno es midiendo el oxigeno presente en los gases de combustión.
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Proveer un punto de descarga para los gases de combustión.
Generar una presión negativa dentro del horno.
Los gases abandonan el horno por la chimenea. Esta provee un punto elevado de descarga.
Debido a la diferencia de temperaturas entre los gases dentro del horno y el aire en el exterior, la chimenea es capaz de proveer una presión negativa en el interior generando una circulación de gases. La presión negativa se llama TIRAJE.
La presión dentro del horno es mantenida apenas por debajo de la del aire en el exterior mediante el ajuste del registro de chimenea. Generalmente esta presión se fija entre 0.05” y 0.1” de columna de agua negativa por debajo de la sección de convección. Debido a que los gases son más livianos, el tiraje aumente en el piso del horno dependiendo de la altura de la zona radiante y de la temperatura.
Partiendo que un horno es operado con presión negativa, toda fuga de aire al interior debe ser minimizada. El aire que forma parte de la reacción de combustión, solo deberá ingresar en al zona de mezcla. Cualquier fuga en el interior del equipo, reflejará un aumento en el exceso de aire en los gases de chimenea. Fugas significativas, harán imposible la operación del horno con un bajo exceso de aire y como consecuencia reducirán su eficiencia.
En caso que el registro de chimenea se encuentre mal posicionado, los gases pueden llegar a generar presiones mayores que la atmosférica. Cuando esto ocurre, los gases son forzados a través del refractario generando un deterioro de este y de la estructura.
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Pérdida de carga de los gases en zona convectiva.
Pérdida de carga debida al registro y chimenea.
En la figura se muestra las principales características del horno. Suelen ser usados para rendimientos térmicos hasta 150 MM BTU/h(43.9 MW). En la sección de radiación, los tubos están colocados o colgados verticalmente en forma de círculo alrededor de los quemadores del piso. Esto hace que la llama sea paralela a los tubos en la sección de radiación.
La convección se encuentra ubicada encima de la sección de radiación, proporcionan un diseño muy eficiente y económico que requiere un mínimo de área de planta. Los gases de combustión fluyen hacia arriba a través del banco de convección y posteriormente a la chimenea. La sección de escudo consiste de dos filas de tubos ubicados en el fondo de la sección de convección.
La porción de convección de los tubos usualmente tiene una superficie de forma extendida para incrementar el coeficiente de transferencia de calor por convección.
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Tiraje y Control de Exceso de Aire
El registro de chimenea es utilizado para controlar el tiraje por encima de la sección de radiación. Un valor aproximado es 0.1” W.C. El registro del quemador es utilizado para controlar el flujo de aire.
Registro del Quemador
Registro de Chimenea
El registro de chimenea deberá ser ajustado de manera que el tiraje debajo de la sección de convección se encuentre entre valores de 0.05” y 0.1” C.A.
El incremento en el tiraje es aproximadamente de 0.01” C.A. por cada pie de altura de la región de radiación.
El registro del quemador será usado para ajustar el flujo de aire. A medida que se producen variaciones en la apertura del registro, el tiraje cambiará y deberá ser reajustado. Las variaciones en el tiraje son el resultado del cambio en la velocidad de los gases a través del horno, generando una mayor o menor pérdida de carga.
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Fundamentos de los Hornos
En los quemadores de tipo standard la mezcla de combustible con aire se realiza directamente en la zona de combustión. El diseño de la punta del quemador tiene como objetivo descargar el combustible y proporcionar una mezcla adecuada con el aire.
Los quemadores de pre-mezcla funcionan en forma diferente a los standard. Una parte del aire se mezcla aguas arriba de la descarga con el combustible. Se utiliza la energía del gas combustible para inspirar lo que se denomina aire primario, pasan por un mezclador y finalmente se realiza la descarga en la zona de combustión donde se incorpora el resto del aire (aire secundario).
Los quemadores también suelen ser clasificados según el tipo de combustible a quemar, la fuente de aire (tiro natural o forzado) o su capacidad para reducir las emisiones de NOx.
Chart1
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
Transferencia de Calor
El propósito de un horno de procesos es calendar su carga trasfiriéndole calor desde sus gases.
Radiación y Convección son las dos formas a través de las cuales se transfiere el calor de los gases a los tubos de proceso.
El fenómeno de radiación es el equivalente al de parase frente a un hogar, simplemente estar próximo a una llama causa que se transfiera calor a un cuerpo frío.
El fenómeno de convección ocurre cundo los gases pasan sobre una superficie fría. Para que la convección ocurra, la superficie fría debe estar en contacto con los gases
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Los gases viajan de la sección radiante hasta la convectiva.
El intercambio calórico ocurre por el contacto directo de los gases con los tubos.
La cantidad de calor transferida depende de la velocidad y la temperatura de los gases.
Transferencia de calor convectivo.
Es le principal medio de intercambio de calor en la zona convectiva. Ocurre por que los gases a velocidades relativamente altas entran en contacto con los tubos de la sección de convección. Esta transferencia de calor depende principalmente de la diferencia de temperatura de los gases con los tubos y las velocidades de los fluidos. Si las llamas en la sección de radiación son muy largas y allí el intercambio es insuficiente, la temperatura de los gases entrando a la sección de convección será mucho más alta que la diseñada y excederá el flujo calórico.
Un fenómeno que ocurre con el aumento del exceso de aire es el desplazamiento del calor entregado en la sección de radiante a la sección de convectiva. Debido al exceso de aire la temperatura de llama disminuye y con esto el calor suministrado por radiación, por otro lado aumenta la masa de gases y su velocidad en la sección de convección incrementando así el intercambio en esta parte.
Transferencia de calor radiante.
Es el principal mecanismo de intercambio en la sección de radiación. La energía es irradiada desde los gases. Si bien, no es necesario que los gases entren en contacto con los tubos para que el intercambio de energía ocurra, la temperatura y proximidad de la llama tiene un importante efecto en la cantidad de calor transferido. La cantidad de energía transferida, es proporcional a la diferencia de la de la cuarta potencia de las temperaturas de los gases y de los tubos. La forma de la llama (diámetro y altura) es muy importante a la hora de determinar la cantidad de calor y la manera en la que está distribuido.
(CONTINUA)
Gases calientes irradian energía a los tubos
No es necesario contacto real de los gases con los tubos.
La cantidad de calor transferido es proporcional a la diferencia de la cuarta potencia de las temperaturas de los tubos y los gases.
Sección Radiante
Llamas cortas e intensas (reacción rápida debido a una buena mezcla aire/combustible) producen temperaturas más altas y un elevado intercambio de calor en una pequeña sección de la cámara radiante disminuyendo los gases que entran en la zona de convección. A pesar de esto, no siempre se desea un elevado flujo de calor en la sección de radiación. Flujos elevados producen un aumento de la temperatura de piel de tubo y la posibilidad de que se coquifique el interior de los mismos.
Por otro lado si la llama es muy larga (de reacción lenta) el calor radiante será pobre y los gases entrando a la sección de convección serán muy altos causando problemas en los tubos de convección.
Como puede ser inferido la forma de la llama es extremadamente importante. Una llama malformada puede azotar la superficie de los tubos. Si la llama es de diámetro grande los tubos de radiación se verán afectados, si es demasiado larga los tubos del techo son los perjudicados.
Otra consideración relacionada con la forma de la llama, son las corrientes convectivas generadas en la zona de radiación. La masa de gases se eleva por el centro del horno y al ser enfriada, estos gases descienden entre los tubos y la pared. Cuando alcanzan el fondo del horno, barren el piso en dirección a los quemadores. En algunos casos, si la llama es larga y blanda, las corrientes pueden empujarla hacia los tubos
Una medida aproximada para una llama es ½ a 2/3 la altura de la cámara radiante.
Un quemador puede estar diseñado correctamente e incluso así tener una forma de llama inapropiada. Este fenómeno suele ocurrir con quemadores múltiples o cuando las fugas de aire son excesivas. Ya se ha discutido previamente que el aire debe ser mezclado en la zona de combustión. En sistemas de quemadores múltiple puede ocurrir que a todos no se les suministre el mismo caudal de combustible. De esta manera operaran cada uno con un exceso de aire diferente.
(CONTINUA)
Efecto de la forma de la llama
Con llamas largas, las temperaturas máximas se dan en zonas más altas de la radiación produciendo:
Disminución del calor transferido en la sección de radiación.
Gases a altas temperaturas entrando en la convección.
Variaciones en el calor entregado tanto en la zona de radiación y convección.
Posible aumento de la temperatura del metal, tanto en la región superior de la zona radiante como en la convección.
Reducción en la eficiencia del horno.
Posibles causas
Sección Radiante del Horno
Quemadores con un alto exceso de aire suelen tener llamas cortas y limpias, mientras que con bajo exceso de aire son largas y blandas. La diferencia entre los distintos patrones de llama puede generar una inapropiada transferencia de calor en la radiación, azote de llama en los tubos o elevado flujo calórico causando elevadas temperaturas de piel de tubo.
Cuando hay una fuga de aire en la cámara del horno y se lo intenta operar el con un exceso de aire bajo, los quemadores tendrán insuficiente aire para una combustión adecuada.
Los dos casos anteriormente descriptos son situaciones comunes en los que se operan hornos con excesos de aire superiores al los de máxima eficiencia.
La operación con un mayor exceso asegura que el horno no se quedará sin aire en caso de que se de una condición desfavorable. Como fue indicado con anterioridad, algunos combustibles necesitan menos aire que otros. Si un horno se encuentra operando con un combustible y con su adecuado exceso de aire y repentinamente se produce un cambio de combustibles por uno que requiera un exceso de aire mayor, el quemador operará con una masa de aire inferior y como consecuencia no responderá de manera adecuada.
Cambios en la composición del combustible podrán generar una inyección elevada de combustible y como consecuencia una operación con defecto de aire. Por ejemplo, cuando un quemador funciona con un combustible de bajo poder calorífico que requiere una presión elevada en la punta del quemador, la válvula de control se encontrará en su posición de máxima apertura. Si la composición cambia para un combustible de mayor poder calorífico, los requerimientos de aire aumentarán y antes que el control por temperatura reduzca el flujo de combustible el horno se quedará corto en aire.
Cambios en las condiciones atmosféricas como temperatura o una elevada velocidad del viento que afecte el tiraje, pueden reducir el exceso de aire. Si el horno opera con un bajo exceso de aire y la temperatura varía significativamente entre la mañana y la tarde, el aumento de la caída de presión en los quemadores, conducirá a una reducción del flujo de aire. Elevadas velocidades del viento causan alteraciones en el tiraje y flujo errático. provocando problemas de estabilidad en la operación del horno.
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Precalentamiento de Aire
El precalentamiento del aire a un Horno incrementa la eficiencia de un 7 a un 10 % al aprovechar la energía caliente de los gases de salida y enfriamiento de estos gases a un óptimo .
Uno de los problemas asociados con el precalentamiento es la corrosión en las zonas frías de la circulación de gases y otros equipos aguas abajo por condensación de ácidos sulfurosos.
Es recomendable ajustar la temperatura de salida de gases a través de un by pass con gases calientes .
Otro factor a tener en cuenta es la perdida de carga del circuito de precalentamiento .En algunas instalaciones se ha mejorado este punto modificando el ángulo de ataque del conducto de aire de ingreso .
En el precalentador, se transfiere calor de los gases de combustión ó de chimenea, al aire para la combustión, reduciendo la temperatura de salida de los gases de chimenea, y elevando la eficiencia térmica de todo el sistema del horno. Con sistemas de precalentamiento de aire, la temperatura de salida de los gases de chimenea está entre 163 °C (325 °F) y 177 °C (350 °F), y los niveles de eficiencia térmica pueden alcanzar de 90 a un 92% (basados en el poder calórico inferior del combustible).
Cuando se quema gas con un contenido muy bajo de azufre, la temperatura de salida de los gases de chimenea puede ser tan baja como 121 °C (250 °F): en tales sistemas, la eficiencia térmica alcanzable ya no se mide por la diferencia de temperaturas entre los gases de combustión y los fluídos entrando al sistema. La temperatura de los gases de combustión saliendo del precalentador, la cual determina la eficiencia, debería ser lo más baja posible, sin producir corrosión de los elementos del precalentador, debido a la condensación de materiales corrosivos por la baja temperatura.
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Precalentamiento de Calor
Todos estos equipos tienen ventajas/desventajas en instalaciones específicas. Los precalentadores de aire del tipo regenerativo y tubular tienen una historia de aplicación larga de la cual se ha obtenido experiencia muy valiosa. El sistema de fluido circulante ofrece experiencia de operación limitada y por lo tanto requiere de detalles del diseño mucho más precisos si va a ser utilizado. Las comparaciones entre los precalentadores de aire del tipo regenerativo y tubular excluyen el uso de una sección de tubo de vidrio debido a que este equipo puede ser aplicado separadamente a cualquier tipo de precalentador de aire para la recuperación de calor de baja temperatura.
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Los precalentadores de aire disponibles actualmente incluye tres tipos básicos:
1. Rotativo/regenerativo, como el Ljungstrom, Lugat y Rothemuhle.
2. Tubular, como el DEKA, Stierle, Air Industries, etc.
3. De fluido circulante.
Debido a la diferencia de temperaturas entre los gases dentro del horno y el aire en el exterior, la chimenea es capaz de proveer una presión negativa en el interior generando una circulación de gases. La presión negativa se llama TIRAJE.
En esta imagen se representan los efectos del tiraje y las caídas de presión a lo largo del horno.
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Toma de Muestra y Análisis del Gas
La única manera de cuantificar el exceso de aire es mediante la medición del contenido de oxígeno en los gases de chimenea. Este gráfico permite, en forma aproximada, obtener el exceso de aire como función del porcentaje de oxígeno medido en la chimenea. La combustión perfecta se alcanza cuando el análisis de los gases no indique la presencia de CO, H2, hidrocarburos no quemados u oxígeno cuando el CO2 alcanza el máximo. Desafortunadamente, como ya se indicó anteriormente, es imposible quemar con 0% de exceso de aire y obtener una combustión completa. La operación óptima se obtiene con una mínima cantidad de oxígeno presente en los gases de chimenea, sin cantidades significativas de CO y una calidad de llama (forma) sostenida.
Existe una variedad de instrumentos para la medición de gases. La mayoría indica en porcentaje en volumen de distintos componentes en una base de gas seco. Mediante la medición de oxígeno y CO es posible lograr una operación eficiente del horno. Un aumento del CO indicaría que los quemadores estarían recibiendo poco aire, por otro lado altos niveles de O2 indican que el horno funciona con un alto exceso de este. En algunos casos es posible encontrar altos niveles de oxígeno y CO, esto indicaría un exceso de aire resultado de fugas en el horno.
En el mejor de los casos, los hornos solo cuentan con un analizador de oxígeno. Será necesario operarlos con el suficiente exceso de aire para asegurar que el CO no se forme. Los rangos generales de operación se encuentran entre el 10% y 30% de exceso de aire dependiendo del tipo de horno y combustible. En algunos casos el porcentaje puede ser mucho mayor.
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Ubicación del Muestreo
Muestreo de Gas
Muestreo de Gas
Medición de Tiraje
Medición de Tiraje
La forma de muestreo, pueden ser fuente de error en el análisis del gas. Las líneas de muestreo deben estar ajustadas y libres de perdidas. La probeta de muestra debe ser introducida de manera de evitar las posibles fugas alrededor del tubo.
Considerando que la muestra de gases se realiza a altas temperaturas, la metalurgia de la probeta debe ser adecuada para soportar dichas condiciones. Tipo 310 SS suele ser satisfactorio a 1800ºF.
Las mediciones de oxígeno son indicadores del aire en exceso y de posibles fugas. Las fugas suelen ser problemáticas ya que este aire se encuentra presente en las mediciones pero no participa de la combustión. El aire entrante por medio de los quemadores debe ser adecuado para evitar condiciones de llama desfavorables o intercambio de calor insatisfactorio. Es posible medir exceso de oxígeno en la chimenea mientras que la radiación opera con insuficiencia de aire. Cuando esto ocurre, el aire que se fuga en la convección puede reencender los productos de una combustión incompleta causando sobrecalentamiento de la sección.
El punto de muestra debe estar colocado de manera de evitar la influencia de las fugas. El sistema de muestra ideal debe contar con dos puntos de medición. Uno en la chimenea y otro por debajo de la sección de comvección. Este último debe ser colocado por encima de las llamas y debe extenderse bien dentro del horno. La ubicación por encima de las llamas es para que el análisis sea de una combustión completa, mientras que la penetración busca evitar las perdidas que usualmente circulan detrás de los tubos. La medición en chimenea determinará la cantidad de fugas. Grandes diferencias en el exceso de aire de las dos mediciones, indicarían la necesidad de un mantenimiento y revisión del sellado del horno.
Los puntos más propensos a tener fugas son las cajas de cabezales. Cualquier entrada de aire más allá de los quemadores es considerada indeseable.
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Reducción del exceso de Aire
1.- Mantenga el tiraje del horno en los típicos ( 0,1 “ CA)
2.- Ajuste el registro de los quemadores y el registro para controlar el tiraje
3.- Cierre los registros de aire de los quemadores que no están en servicio
4.- Cierre las mirillas y puertas .
5.- Mantenga una combustión limpia todo el tiempo
6.- Mantenga el exceso de aire recomendado para cada combustible :
F Oil 20 –25 % de exceso de aire ( 4-5 % O2)
F Gas 10 -15 % de Exceso de aire ( 2-3 % O2)
Reducción de la temperatura de gas de chimenea
1.- Reduzca el exceso de aire a quemadores
2.- Mantenga limpio los tubos de la zona convectiva
3.- Mantenga la temperatura de gases de chimenea 55 °C por encima de la temperatura del fluido a calefaccionar (carga) .
Rev. 0 – 20/07/06
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Tabla de Causas/Efectos Tiro Natural
En hornos con encendido eléctrico, la parada del piloto cortará la tensión al panel de encendido.
Rev. 0 – 20/07/06
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Tabla de Causas/Efectos Tiro Forzado Precalentadores
Solo cuando 10 segs. después de la parada del sistema de precalentamiento se mantenga la presión por encima del punto de consigna.
Solo cuando 10 segs. después de la parada del sistema de precalentamiento no se detecte la apertura de los registros.
0,006
0,007
0,008
0,009
0,01
0,011
0,012
0,013
50010001500200025003000
Tiene como objetivo liberar, en proporciones correctas y con suficiente energía de mezcla, el combustible y el aire en la zona de combustión.
Debe proporcionar una combustión completa, continua y con adecuada forma de llama.
Básicamente pueden diferenciarse dos tipos de quemadores:
Standard.
Piloto
Motivado por el énfasis creciente sobre conservación de energía en los últimos años, el interés por instalar equipos de precalentadores de aire de combustión ha crecido. Este método de recuperar calor de desecho es uno de los dos métodos principales para optimizar la eficiencia térmica de equipos de combustión. El consumo de combustible puede disminuir marcadamente mediante el precalentamiento del aire de combustión.
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Quemador
Este es el esquema de un horno de procesos típico. El horno está conformado por una chimenea, una sección de convección, una sección de radiación, una superficie refractaria y quemadores. Se denomina sección de escudo a las primeras filas de la convección. Estos tubos además de recibir calor convectivo, reciben radiación. Las paredes y techos del horno se encuentran cubiertas por materiales que reducen las perdidas de calor y lo devuelven a los tubos.
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Tipos de Hornos de Proceso
Existen distintos tipos de Hornos de procesos, entre los más comunes se encuentran:
Cilíndrico Vertical.
Cabina Horizontal.
Cilíndrico Vertical
En la figura se muestra las principales características del horno. La sección de radiación incluye los tubos horizontales al lado de las paredes y en el techo inclinado del horno (“Hip section”). La sección de convección se extiende sobre todo lo largo de la sección de radiación. Los quemadores están normalmente ubicados en el piso del horno en fila por debajo del centro de la cabina y queman verticalmente, pero no es extraño encontrar diseños con quemadores montados en las paredes extremas ó intermedias, por debajo del serpentín.
Este tipo de hornos han sido construidos hasta de 500 MM BTU/h(150 MW) de calor absorbido. Sin embargo, en tamaños más pequeños como 120 MM BTU/h (35 MW), los hornos verticales–cilíndricos son mucho más económicos. Este diseño altamente eficiente y económico, representa, actualmente la mayoría de instalaciones nuevas de hornos con tubos horizontales.
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Cabina Horizontal
En términos de costo de refinación, el horno es uno de los equipos más importante dentro de una refinería. Es imprescindible, para lograr una operación segura, entender su funcionamiento.
Debido al combustible y aire que se combinan dentro del horno, existen riesgos de explosiones por una operación inapropiada.
A menudo las alimentaciones de los hornos en las refinerías cambian de Fuel oil a Fuel gas / Gas Nat , dependiendo de ciertas restricciones del mercado de gas .
En otros casos las capacidades de las Unidades han sido incrementadas y el Horno pasa a operar en condiciones mas exigentes mientras que otros en cambio pueden estar operando por debajo del requerimiento de diseño .
Sin embargo un Horno de Proceso es un elemento complejo, donde no debe perderse de vista el criterio de “Optimización Energética” y sus posibilidades mecánicas y de control Operativo para lograrlo .
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Operación del Horno
En términos de costo de refinación, el horno es uno de los equipos más importante dentro de una refinería. Gran parte del calor utilizado es agregado directamente a la carga que pasa por el horno.
En una refinería o planta petroquímica se utilizan grandes cantidades de energía y para alcanzar los mínimos costos operativos, el horno debe operar en su máxima eficiencia.
Es importante destacar que un horno eficiente, es un horno operado en forma segura.
Los productos de combustión formados por la quema de combustible y aire, irradian calor a los tubos, después pasan a través del escudo a la sección de convección entregando más energía al proceso. Finalmente, los gases son descargados a la atmósfera por medio de la chimenea.
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Fundamentos de los Hornos
Con el objetivo de operar un horno en forma eficiente y segura, es necesario entender los principales principios de operación. Los puntos a tratar serán:
Circulación del fluido de procesos.
Tiraje.
Circulación del fluido de procesos
La distribución del fluido circulante a la entrada es muy importante, para ello el control del paso del fluido a través de los ramales evita desbalancear la carga y generar sobrecalentamientos localizados y coquización . Asimismo se logra una temperatura uniforme de salida.
Otra variable a controlar es la perdida de carga a través de los ramales y el régimen del fluido circulante .Una muy elevada velocidad puede generar daño erosión y/o vibraciones .
Antes de encender mecheros, se ha de establecer circulación de producto por el interior de los tubos del horno, excepto en el caso de que se encienda solo un mechero de gas para mantener la temperatura de 200ºC en el techo de radiación.
Tiraje balanceado
Hablamos de tiraje balanceado en aquellos casos donde se cuenta con ventiladores y recuperadores de calor (precalentamiento de aire de entrada ).
Tiraje natural de un Horno
En este tipo de hornos, el tiraje es generado por la chimenea. Los gases calientes se elevan en el interior del horno debido a que pesan menos que al aire frío en el exterior. El aire que entra por los quemadores, reemplaza al que sale por la chimenea.
Transferencia de Calor
El objetivo de un horno de procesos es calentar su carga trasfiriéndole el calor de los gases de combustión. Dos tipos de intercambio de calor ocurren. Radiación y convección.
Muestras de Gas Combustibles
La única manera de cuantificar el exceso de aire con el que opera un horno es midiendo el oxigeno presente en los gases de combustión.
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Proveer un punto de descarga para los gases de combustión.
Generar una presión negativa dentro del horno.
Los gases abandonan el horno por la chimenea. Esta provee un punto elevado de descarga.
Debido a la diferencia de temperaturas entre los gases dentro del horno y el aire en el exterior, la chimenea es capaz de proveer una presión negativa en el interior generando una circulación de gases. La presión negativa se llama TIRAJE.
La presión dentro del horno es mantenida apenas por debajo de la del aire en el exterior mediante el ajuste del registro de chimenea. Generalmente esta presión se fija entre 0.05” y 0.1” de columna de agua negativa por debajo de la sección de convección. Debido a que los gases son más livianos, el tiraje aumente en el piso del horno dependiendo de la altura de la zona radiante y de la temperatura.
Partiendo que un horno es operado con presión negativa, toda fuga de aire al interior debe ser minimizada. El aire que forma parte de la reacción de combustión, solo deberá ingresar en al zona de mezcla. Cualquier fuga en el interior del equipo, reflejará un aumento en el exceso de aire en los gases de chimenea. Fugas significativas, harán imposible la operación del horno con un bajo exceso de aire y como consecuencia reducirán su eficiencia.
En caso que el registro de chimenea se encuentre mal posicionado, los gases pueden llegar a generar presiones mayores que la atmosférica. Cuando esto ocurre, los gases son forzados a través del refractario generando un deterioro de este y de la estructura.
Rev. 0 – 20/07/06
Pérdida de carga de los gases en zona convectiva.
Pérdida de carga debida al registro y chimenea.
En la figura se muestra las principales características del horno. Suelen ser usados para rendimientos térmicos hasta 150 MM BTU/h(43.9 MW). En la sección de radiación, los tubos están colocados o colgados verticalmente en forma de círculo alrededor de los quemadores del piso. Esto hace que la llama sea paralela a los tubos en la sección de radiación.
La convección se encuentra ubicada encima de la sección de radiación, proporcionan un diseño muy eficiente y económico que requiere un mínimo de área de planta. Los gases de combustión fluyen hacia arriba a través del banco de convección y posteriormente a la chimenea. La sección de escudo consiste de dos filas de tubos ubicados en el fondo de la sección de convección.
La porción de convección de los tubos usualmente tiene una superficie de forma extendida para incrementar el coeficiente de transferencia de calor por convección.
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Tiraje y Control de Exceso de Aire
El registro de chimenea es utilizado para controlar el tiraje por encima de la sección de radiación. Un valor aproximado es 0.1” W.C. El registro del quemador es utilizado para controlar el flujo de aire.
Registro del Quemador
Registro de Chimenea
El registro de chimenea deberá ser ajustado de manera que el tiraje debajo de la sección de convección se encuentre entre valores de 0.05” y 0.1” C.A.
El incremento en el tiraje es aproximadamente de 0.01” C.A. por cada pie de altura de la región de radiación.
El registro del quemador será usado para ajustar el flujo de aire. A medida que se producen variaciones en la apertura del registro, el tiraje cambiará y deberá ser reajustado. Las variaciones en el tiraje son el resultado del cambio en la velocidad de los gases a través del horno, generando una mayor o menor pérdida de carga.
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Fundamentos de los Hornos
En los quemadores de tipo standard la mezcla de combustible con aire se realiza directamente en la zona de combustión. El diseño de la punta del quemador tiene como objetivo descargar el combustible y proporcionar una mezcla adecuada con el aire.
Los quemadores de pre-mezcla funcionan en forma diferente a los standard. Una parte del aire se mezcla aguas arriba de la descarga con el combustible. Se utiliza la energía del gas combustible para inspirar lo que se denomina aire primario, pasan por un mezclador y finalmente se realiza la descarga en la zona de combustión donde se incorpora el resto del aire (aire secundario).
Los quemadores también suelen ser clasificados según el tipo de combustible a quemar, la fuente de aire (tiro natural o forzado) o su capacidad para reducir las emisiones de NOx.
Chart1
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800
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1600
2000
2400
2800
Transferencia de Calor
El propósito de un horno de procesos es calendar su carga trasfiriéndole calor desde sus gases.
Radiación y Convección son las dos formas a través de las cuales se transfiere el calor de los gases a los tubos de proceso.
El fenómeno de radiación es el equivalente al de parase frente a un hogar, simplemente estar próximo a una llama causa que se transfiera calor a un cuerpo frío.
El fenómeno de convección ocurre cundo los gases pasan sobre una superficie fría. Para que la convección ocurra, la superficie fría debe estar en contacto con los gases
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Los gases viajan de la sección radiante hasta la convectiva.
El intercambio calórico ocurre por el contacto directo de los gases con los tubos.
La cantidad de calor transferida depende de la velocidad y la temperatura de los gases.
Transferencia de calor convectivo.
Es le principal medio de intercambio de calor en la zona convectiva. Ocurre por que los gases a velocidades relativamente altas entran en contacto con los tubos de la sección de convección. Esta transferencia de calor depende principalmente de la diferencia de temperatura de los gases con los tubos y las velocidades de los fluidos. Si las llamas en la sección de radiación son muy largas y allí el intercambio es insuficiente, la temperatura de los gases entrando a la sección de convección será mucho más alta que la diseñada y excederá el flujo calórico.
Un fenómeno que ocurre con el aumento del exceso de aire es el desplazamiento del calor entregado en la sección de radiante a la sección de convectiva. Debido al exceso de aire la temperatura de llama disminuye y con esto el calor suministrado por radiación, por otro lado aumenta la masa de gases y su velocidad en la sección de convección incrementando así el intercambio en esta parte.
Transferencia de calor radiante.
Es el principal mecanismo de intercambio en la sección de radiación. La energía es irradiada desde los gases. Si bien, no es necesario que los gases entren en contacto con los tubos para que el intercambio de energía ocurra, la temperatura y proximidad de la llama tiene un importante efecto en la cantidad de calor transferido. La cantidad de energía transferida, es proporcional a la diferencia de la de la cuarta potencia de las temperaturas de los gases y de los tubos. La forma de la llama (diámetro y altura) es muy importante a la hora de determinar la cantidad de calor y la manera en la que está distribuido.
(CONTINUA)
Gases calientes irradian energía a los tubos
No es necesario contacto real de los gases con los tubos.
La cantidad de calor transferido es proporcional a la diferencia de la cuarta potencia de las temperaturas de los tubos y los gases.
Sección Radiante
Llamas cortas e intensas (reacción rápida debido a una buena mezcla aire/combustible) producen temperaturas más altas y un elevado intercambio de calor en una pequeña sección de la cámara radiante disminuyendo los gases que entran en la zona de convección. A pesar de esto, no siempre se desea un elevado flujo de calor en la sección de radiación. Flujos elevados producen un aumento de la temperatura de piel de tubo y la posibilidad de que se coquifique el interior de los mismos.
Por otro lado si la llama es muy larga (de reacción lenta) el calor radiante será pobre y los gases entrando a la sección de convección serán muy altos causando problemas en los tubos de convección.
Como puede ser inferido la forma de la llama es extremadamente importante. Una llama malformada puede azotar la superficie de los tubos. Si la llama es de diámetro grande los tubos de radiación se verán afectados, si es demasiado larga los tubos del techo son los perjudicados.
Otra consideración relacionada con la forma de la llama, son las corrientes convectivas generadas en la zona de radiación. La masa de gases se eleva por el centro del horno y al ser enfriada, estos gases descienden entre los tubos y la pared. Cuando alcanzan el fondo del horno, barren el piso en dirección a los quemadores. En algunos casos, si la llama es larga y blanda, las corrientes pueden empujarla hacia los tubos
Una medida aproximada para una llama es ½ a 2/3 la altura de la cámara radiante.
Un quemador puede estar diseñado correctamente e incluso así tener una forma de llama inapropiada. Este fenómeno suele ocurrir con quemadores múltiples o cuando las fugas de aire son excesivas. Ya se ha discutido previamente que el aire debe ser mezclado en la zona de combustión. En sistemas de quemadores múltiple puede ocurrir que a todos no se les suministre el mismo caudal de combustible. De esta manera operaran cada uno con un exceso de aire diferente.
(CONTINUA)
Efecto de la forma de la llama
Con llamas largas, las temperaturas máximas se dan en zonas más altas de la radiación produciendo:
Disminución del calor transferido en la sección de radiación.
Gases a altas temperaturas entrando en la convección.
Variaciones en el calor entregado tanto en la zona de radiación y convección.
Posible aumento de la temperatura del metal, tanto en la región superior de la zona radiante como en la convección.
Reducción en la eficiencia del horno.
Posibles causas
Sección Radiante del Horno
Quemadores con un alto exceso de aire suelen tener llamas cortas y limpias, mientras que con bajo exceso de aire son largas y blandas. La diferencia entre los distintos patrones de llama puede generar una inapropiada transferencia de calor en la radiación, azote de llama en los tubos o elevado flujo calórico causando elevadas temperaturas de piel de tubo.
Cuando hay una fuga de aire en la cámara del horno y se lo intenta operar el con un exceso de aire bajo, los quemadores tendrán insuficiente aire para una combustión adecuada.
Los dos casos anteriormente descriptos son situaciones comunes en los que se operan hornos con excesos de aire superiores al los de máxima eficiencia.
La operación con un mayor exceso asegura que el horno no se quedará sin aire en caso de que se de una condición desfavorable. Como fue indicado con anterioridad, algunos combustibles necesitan menos aire que otros. Si un horno se encuentra operando con un combustible y con su adecuado exceso de aire y repentinamente se produce un cambio de combustibles por uno que requiera un exceso de aire mayor, el quemador operará con una masa de aire inferior y como consecuencia no responderá de manera adecuada.
Cambios en la composición del combustible podrán generar una inyección elevada de combustible y como consecuencia una operación con defecto de aire. Por ejemplo, cuando un quemador funciona con un combustible de bajo poder calorífico que requiere una presión elevada en la punta del quemador, la válvula de control se encontrará en su posición de máxima apertura. Si la composición cambia para un combustible de mayor poder calorífico, los requerimientos de aire aumentarán y antes que el control por temperatura reduzca el flujo de combustible el horno se quedará corto en aire.
Cambios en las condiciones atmosféricas como temperatura o una elevada velocidad del viento que afecte el tiraje, pueden reducir el exceso de aire. Si el horno opera con un bajo exceso de aire y la temperatura varía significativamente entre la mañana y la tarde, el aumento de la caída de presión en los quemadores, conducirá a una reducción del flujo de aire. Elevadas velocidades del viento causan alteraciones en el tiraje y flujo errático. provocando problemas de estabilidad en la operación del horno.
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Precalentamiento de Aire
El precalentamiento del aire a un Horno incrementa la eficiencia de un 7 a un 10 % al aprovechar la energía caliente de los gases de salida y enfriamiento de estos gases a un óptimo .
Uno de los problemas asociados con el precalentamiento es la corrosión en las zonas frías de la circulación de gases y otros equipos aguas abajo por condensación de ácidos sulfurosos.
Es recomendable ajustar la temperatura de salida de gases a través de un by pass con gases calientes .
Otro factor a tener en cuenta es la perdida de carga del circuito de precalentamiento .En algunas instalaciones se ha mejorado este punto modificando el ángulo de ataque del conducto de aire de ingreso .
En el precalentador, se transfiere calor de los gases de combustión ó de chimenea, al aire para la combustión, reduciendo la temperatura de salida de los gases de chimenea, y elevando la eficiencia térmica de todo el sistema del horno. Con sistemas de precalentamiento de aire, la temperatura de salida de los gases de chimenea está entre 163 °C (325 °F) y 177 °C (350 °F), y los niveles de eficiencia térmica pueden alcanzar de 90 a un 92% (basados en el poder calórico inferior del combustible).
Cuando se quema gas con un contenido muy bajo de azufre, la temperatura de salida de los gases de chimenea puede ser tan baja como 121 °C (250 °F): en tales sistemas, la eficiencia térmica alcanzable ya no se mide por la diferencia de temperaturas entre los gases de combustión y los fluídos entrando al sistema. La temperatura de los gases de combustión saliendo del precalentador, la cual determina la eficiencia, debería ser lo más baja posible, sin producir corrosión de los elementos del precalentador, debido a la condensación de materiales corrosivos por la baja temperatura.
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Precalentamiento de Calor
Todos estos equipos tienen ventajas/desventajas en instalaciones específicas. Los precalentadores de aire del tipo regenerativo y tubular tienen una historia de aplicación larga de la cual se ha obtenido experiencia muy valiosa. El sistema de fluido circulante ofrece experiencia de operación limitada y por lo tanto requiere de detalles del diseño mucho más precisos si va a ser utilizado. Las comparaciones entre los precalentadores de aire del tipo regenerativo y tubular excluyen el uso de una sección de tubo de vidrio debido a que este equipo puede ser aplicado separadamente a cualquier tipo de precalentador de aire para la recuperación de calor de baja temperatura.
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Los precalentadores de aire disponibles actualmente incluye tres tipos básicos:
1. Rotativo/regenerativo, como el Ljungstrom, Lugat y Rothemuhle.
2. Tubular, como el DEKA, Stierle, Air Industries, etc.
3. De fluido circulante.
Debido a la diferencia de temperaturas entre los gases dentro del horno y el aire en el exterior, la chimenea es capaz de proveer una presión negativa en el interior generando una circulación de gases. La presión negativa se llama TIRAJE.
En esta imagen se representan los efectos del tiraje y las caídas de presión a lo largo del horno.
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Toma de Muestra y Análisis del Gas
La única manera de cuantificar el exceso de aire es mediante la medición del contenido de oxígeno en los gases de chimenea. Este gráfico permite, en forma aproximada, obtener el exceso de aire como función del porcentaje de oxígeno medido en la chimenea. La combustión perfecta se alcanza cuando el análisis de los gases no indique la presencia de CO, H2, hidrocarburos no quemados u oxígeno cuando el CO2 alcanza el máximo. Desafortunadamente, como ya se indicó anteriormente, es imposible quemar con 0% de exceso de aire y obtener una combustión completa. La operación óptima se obtiene con una mínima cantidad de oxígeno presente en los gases de chimenea, sin cantidades significativas de CO y una calidad de llama (forma) sostenida.
Existe una variedad de instrumentos para la medición de gases. La mayoría indica en porcentaje en volumen de distintos componentes en una base de gas seco. Mediante la medición de oxígeno y CO es posible lograr una operación eficiente del horno. Un aumento del CO indicaría que los quemadores estarían recibiendo poco aire, por otro lado altos niveles de O2 indican que el horno funciona con un alto exceso de este. En algunos casos es posible encontrar altos niveles de oxígeno y CO, esto indicaría un exceso de aire resultado de fugas en el horno.
En el mejor de los casos, los hornos solo cuentan con un analizador de oxígeno. Será necesario operarlos con el suficiente exceso de aire para asegurar que el CO no se forme. Los rangos generales de operación se encuentran entre el 10% y 30% de exceso de aire dependiendo del tipo de horno y combustible. En algunos casos el porcentaje puede ser mucho mayor.
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Ubicación del Muestreo
Muestreo de Gas
Muestreo de Gas
Medición de Tiraje
Medición de Tiraje
La forma de muestreo, pueden ser fuente de error en el análisis del gas. Las líneas de muestreo deben estar ajustadas y libres de perdidas. La probeta de muestra debe ser introducida de manera de evitar las posibles fugas alrededor del tubo.
Considerando que la muestra de gases se realiza a altas temperaturas, la metalurgia de la probeta debe ser adecuada para soportar dichas condiciones. Tipo 310 SS suele ser satisfactorio a 1800ºF.
Las mediciones de oxígeno son indicadores del aire en exceso y de posibles fugas. Las fugas suelen ser problemáticas ya que este aire se encuentra presente en las mediciones pero no participa de la combustión. El aire entrante por medio de los quemadores debe ser adecuado para evitar condiciones de llama desfavorables o intercambio de calor insatisfactorio. Es posible medir exceso de oxígeno en la chimenea mientras que la radiación opera con insuficiencia de aire. Cuando esto ocurre, el aire que se fuga en la convección puede reencender los productos de una combustión incompleta causando sobrecalentamiento de la sección.
El punto de muestra debe estar colocado de manera de evitar la influencia de las fugas. El sistema de muestra ideal debe contar con dos puntos de medición. Uno en la chimenea y otro por debajo de la sección de comvección. Este último debe ser colocado por encima de las llamas y debe extenderse bien dentro del horno. La ubicación por encima de las llamas es para que el análisis sea de una combustión completa, mientras que la penetración busca evitar las perdidas que usualmente circulan detrás de los tubos. La medición en chimenea determinará la cantidad de fugas. Grandes diferencias en el exceso de aire de las dos mediciones, indicarían la necesidad de un mantenimiento y revisión del sellado del horno.
Los puntos más propensos a tener fugas son las cajas de cabezales. Cualquier entrada de aire más allá de los quemadores es considerada indeseable.
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Reducción del exceso de Aire
1.- Mantenga el tiraje del horno en los típicos ( 0,1 “ CA)
2.- Ajuste el registro de los quemadores y el registro para controlar el tiraje
3.- Cierre los registros de aire de los quemadores que no están en servicio
4.- Cierre las mirillas y puertas .
5.- Mantenga una combustión limpia todo el tiempo
6.- Mantenga el exceso de aire recomendado para cada combustible :
F Oil 20 –25 % de exceso de aire ( 4-5 % O2)
F Gas 10 -15 % de Exceso de aire ( 2-3 % O2)
Reducción de la temperatura de gas de chimenea
1.- Reduzca el exceso de aire a quemadores
2.- Mantenga limpio los tubos de la zona convectiva
3.- Mantenga la temperatura de gases de chimenea 55 °C por encima de la temperatura del fluido a calefaccionar (carga) .
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Tabla de Causas/Efectos Tiro Natural
En hornos con encendido eléctrico, la parada del piloto cortará la tensión al panel de encendido.
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Tabla de Causas/Efectos Tiro Forzado Precalentadores
Solo cuando 10 segs. después de la parada del sistema de precalentamiento se mantenga la presión por encima del punto de consigna.
Solo cuando 10 segs. después de la parada del sistema de precalentamiento no se detecte la apertura de los registros.
0,006
0,007
0,008
0,009
0,01
0,011
0,012
0,013
50010001500200025003000