1 5 Eficiencia en Calderas

Unidad

1 Sección 5

INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO: MANTENIMIENTO BÁSICO DE CALDERAS ACUOTUBULARES Eficiencia en Calderas

Eficiencia en Calderas


Tabla de contenido

1.5. EFICIENCIA EN CALDERAS .................................................. .......................................................................... ........................ 1 1.5.1. Factores operativos y de mantenimiento que afectan af ectan la eficiencia eficienci a en calderas calder as .................................................. ........................................................................................... ......................................... 1 1.5.2.

Las pérdidas pérdi das ......................................................................... ...................................................................................... ............. 4

1.5.2.1.

Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión (P cs ) .......................... ............................ 5 cs

1.5.2.2.

Pérdidas por calor latente en los humos (P cl ) .......................... ......................................... ............................. ................. ... 6

1.5.2.3.

Pérdidas por inquemados sólidos o gaseosos (P ) ........................................... .................... .....7 i ............................

1.5.2.4.

Pérdidas por exceso de aire innecesario (P ea ) ............................ .......................................... ............................ ................ 8 ea

1.5.2.5.

Pérdidas por radiación y convección a través de la superficies de la caldera 9

1.5.2.6.

Pérdidas en los caudales de purga (P p ) ............................ ........................................... ............................. .......................... ............9

1.5.3.

Cálculo de la l a eficienci ef icienciaa .............................................. .................................................................. .................... 11

1.5.4.

Programas de uso uso racional de energía en sistemas de vapor 12

Bibliografía .................................................... ............................................................................................................. ........................................................... 19

ii


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 caldera 1. 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:  

1

La transformación de la energía química del combustible en calor. La transmisión de este calor al agua y vapor.

(Rodríguez Guerrero, 2000, pág. 79)

1


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)

2


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


3


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) b) c) d) e) f)

Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión (Alta temperatura) (Pcs). Pérdidas por calor latente en los humos (Pcl). Pérdidas por inquemados sólidos o gaseosos (Pi). Pérdidas por exceso de aire innecesario (Pea). Pérdidas por radiación y convección a través de las superficies de la caldera (Prc). 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


4


Figura 21. Pérdidas principales en una caldera

Fuente: Autores 1.5.2.1.

Pérdidas por calor sensible en los gases de combustión (P cs )

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 ). Ecuación 15. Pérdidas por calor sensible de los humos 5

(Energy Training 4 Euro pe, 2007)

5


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, Cp humos es el calor específico de los gases de combustión, T humos 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 (P c ) l

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).

Ecuación 16. Ecuación para las pérdidas por calor latente de los humos

De la Ecuación 16 se tiene que m es la masa del agua en los productos por unidad de masa de combustible y h fg es la entalpía de vaporización del agua a la temperatura determinada. PCS y PCI son los poderes caloríficos del combustible superior e inferior respectivamente.

6


1.5.2.3.

Pérdidas por inquemados sólidos o gaseosos (P ) i

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:

Ecuación 17. Pérdidas por inquemados (CO)

Donde m es la masa del CO en los productos por unidad de masa de combustible, PCI CO es el poder calorífico inferior del CO, V humos 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 Euro pe, 2007)

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1.5.2.4.

Pérdidas por exceso de aire innecesario (P ea )

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 ef iciencia en función de la temperatura de salida de los humos a diferentes excesos de aire.

Fuente: ACERCAR

7

(Serrano, 2005, pág. 140)

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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 (P rc )

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:

Ecuación 18. Ecuación para las pérdidas por convección

Donde h (W/m2*K) es el coeficiente de transferencia de calor por convección, S es superficie exterior del contorno de la caldera, T s es la temperatura superficial media de la superficie exterior de la caldera y T ∞ es la temperatura ambiente 8. 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 (P p )

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)

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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 vapor 9. 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 CONTENIDO TOTAL DE LA CALDERA (PSI) DE SÓLIDOS (PPM) 0-300 301-450 451-600 601-750 751-900 901-1000 1001-1500 1501-2000 2000- y más

3500 3000 2500 2000 1500 1250 1000 750 500

Fuente: (Shield, 1976)

9

(Comisión Nacional para el Ahorro de En ergía (CONAE), 2009, pág. 4) ABMA: The American Boiler Manufacturers Association 11 (Rodríguez Guerrero, 2000, pág. 81) 10

10


Tabla 14. Relación entre la pérdida de efic iencia y el porcentaje de purga

PRESIÓN (PSI)

200

400

600

800

Purga (% del agua de reposición) Pérdida Eficiencia (%) 10 5 2

3.3 1.7 0.7

4.0 2.0 0.8

4.5 2.2 0.9

5.1 2.5 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:

Ecuación 19. Ecuación para eficiencia por el método directo

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.

Ecuación 20. Ecuación para eficiencia por el método indirecto

12

(Shield, 1976, pág. 631)

11


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: 







13

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.

(Betancur Mesa, 2009)

12




          

       



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. 14

Ejemplos particulares de uso racional de energía en e l sistema de vapor

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


13


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


14


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


15


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.

Ecuación 22. Ecuación de las pérdidas de f lujo vapor a través de un orificio

Donde: d: Diámetro del orificio (mm). P: Presión Absoluta de Vapor (bar). PAbsoluta = PManométrica + PAtmosférica Aislamientos térmicos 17: 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


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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).

Ecuación 23. Calor ahorrado en superficies adecuadamente aisladas

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 (m 2) Aca: Área Superficial Tubería Con Aislamiento (m 2) 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: 17


Ecuación 24. Calculo de temperatura de una superficie aislada

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Bibliografía Betancur Mesa, S. (2009). Sistemas de Vapor . Recuperado el 25 de 11 de 2009, de e-URE: http://www.si3ea.gov.co/Eure/5/inicio.html Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE). (2009). Consejos para ahorrar energía en sistema de Vapor. Recuperado el 20 de Octubre de 2009, de CONAE:

http://www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/3992/3/consejospdf.pdf Dpto. Técnico Calefacción Compañía Roca Radiadores. (2009). Cálculo de rendimientos de las calderas e instalaciones. Recuperado el 1 de Mayo de 2009, de Energuia : http://energuia.com/

Energy Training 4 Europe. (6 de Agosto de 2007). Guía de Eficiencia Energética: Calderas . Recuperado el 30 de Abril de 2009, de Energy Training 4 Europe: http://www.energytraining4europe.org/spanish/training/guide_eff_use/boilers_01.htm Eurotherm. (2009). Control de purgas en Calderas . Recuperado el 30 de Abril de 2009, de Eurotherm: http://www.eurotherm.es/industries/boiler/boiler-blowdown-control/ Rodríguez Guerrero, G. (2000). Operacion de Calderas Industriales. Bogotá: Ecoe Ediciones. Serrano, J. C. (Diciembre de 2005). Analisis teórico de la combustión en quemadores de gas natural . Recuperado el 20 de Octubre de 2009, de Universidad Tecnologica de Pereira :

http://www.utp.edu.co/php/revistas/ScientiaEtTechnica/docsFTP/15534139-143.pdf Shield, C. D. (1976). Calderas tipos, características y sus funciones. México : Compañía Editorial continental, S.A.

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