Mejores prácticas no 22

Número 22

Octubre 2023

MEJORES

Ingeniería de Manufactura PRÁCTICAS

EFICIENCIA DE UNA CALDERA O GENERADOR DE VAPOR

EFICIENCIA DE UNA CALDERA O GENERADOR DE VAPOR

Muchos factores han influido en el desarrollo de los Generadores de vapor modernos. Cargas de operación, tamaño, restricciones ambientales, el uso de combustibles de baja calidad y la habilidad para adaptar estos cambios sobre la vida útil de las unidades son algunos ejemplos. Una especificación que usualmente se encuentra en la lista cuando seleccionamos un generador de vapor es: "EFICIENCIA". Las calderas tipo paquete continúan siendo uno de los caminos más económicos para la generación de vapor y agua caliente. La selección del equipo adecuado, sin embargo, requiere una evaluación de acuerdo con distintos criterios:

¿QUE SIGNIFICA EFICIENCIA DE CALDERA?

CALDERAS PAQUETE

CALDERAS DE TUBOS DE HUMO

Selección del tipo de caldera o generador de vapor

CALDERA DE TUBOS DE AGUA

Comparación de características y beneficios Determinación de costos de mantenimiento Determinación de características y costos de combustibles

CALDERA MONOTUBULAR

Evaluación de eficiencia real de caldera

Una caldera típica consume en un solo año de cuatro a siete veces en combustible el costo de inversión inicial, por lo que la selección de una caldera de alta eficiencia representa la recuperación de inversión en muy poco tiempo por ahorro en el consumo de combustible.

¿QUE SIGNIFICA EFICIENCIA DE CALDERA?

¿Como podemos evaluar la eficiencia, de tal manera que refleje los verdaderos consumos de combustible? Es realmente difícil verificar la eficiencia de una caldera después de instalada, sin un costoso procedimiento de medición. Sin embargo, existen técnicas disponibles que proveen la eficiencia de una caldera antes de hacer una inversión, mediante la revisión de los criterios de diseño básico de la misma y los datos utilizados para calcular su eficiencia. El costo de inversión inicial es la parte más pequeña del total de inversión de una caldera. Entender a cuánto ascienden los costos de operación de una caldera, es la clave para conocer el verdadero costo de inversión anual al adquirir la misma. El siguiente ejemplo compara cuatro alternativas y sus eficiencias. Una caldera tiene una eficiencia térmica de 85%, otra tiene una eficiencia de combustión del 87%, otra tiene una eficiencia de caldera del 80% y otra una eficiencia de combustible-vapor de 83%. ¿Cuál caldera consume menor cantidad de combustible para la misma aplicación?

Tomando como base esta información, no hay manera de saberlo

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Típicamente, la eficiencia térmica refleja que tan bien transfiere calor el recipiente de la caldera. Este concepto usualmente excluye perdidas de radiación y convección. Eficiencia de combustión implica solamente la capacidad del quemador para quemar el combustible sin la presencia de monóxido de carbono o hidrocarburos no quemados. Eficiencia de caldera puede no significar nada, aunque si relacionamos esta eficiencia con la energía que se suministra la caldera en relación con la energía que entrega convertida en vapor, podemos considerar esta relación combustible a vapor como una verdadera relación de eficiencia.

La eficiencia de una caldera se ha definido como la relación de calor entregado a través de la generación de vapor, dividido entre el calor suministrado por el proceso de combustión.

El calor total generado en un proceso de combustión no es totalmente transferido a la generación de vapor debido a las pérdidas naturales que tienen en diseño las calderas o generadores de vapor, estas pérdidas son debidas a:

Perdidas por radiación y convección

Perdidas por desecho de gases calientes en la chimenea Perdidas por purgas de condensado a alta temperatura Perdidas por humedad en el vapor generado

Estas pérdidas tienen un impacto muy significativo en la eficiencia total, por lo que vale la pena hacer un análisis detallado de cada uno de ellos.

Las pérdidas en general son debidas al diseño de construcción de la caldera o generador de vapor, por lo que se dará una descripción general de las características de diseño.

CALDERAS PAQUETE

El concepto de calderas paquete tiene en el mundo alrededor de 70 años, en ellas todos los componentes son diseñados e instalados en una sola plataforma, de tal manera que las únicas conexiones que se requieren para su operación son las instalaciones de: agua, energía eléctrica, combustible, vapor y condensado y chimenea para la descarga de gases de combustión. La caldera paquete es compacta, usualmente requiere poco espacio y se arma completa con quemador, ventilador, aislamientos, refractarios, controles, bomba auxiliar y precalentador interconectados eléctrica y mecánicamente. Esto da al propietario la sencillez de una sola fuente de responsabilidad en materia de garantías, reparaciones y mantenimiento.

Durante la segunda Guerra Mundial, un nuevo tipo de calderas paquete fueron introducidas a la industria marina (Caldera Escocesa), que actualmente es ampliamente conocida en la industria como Caldera de Tubos de Humo.

CALDERAS DE TUBOS DE HUMO:

Estas calderas están construidas por un recipiente cilíndrico, con un quemador central llamado "Tubo de Morrison", los gases de combustión pasan por dentro de los tubos, llamados tubos de humo, el agua y el vapor se encuentran en el lado exterior de los tubos y el quemador, contenidos por el cuerpo principal. En esencia una caldera de tubos de humo se construye en forma similar a un intercambiador de calor de casco y tubos.

Una de las características inherentes de esta caldera es el gran volumen de agua que contiene, esto permite responder a variaciones de carga con cambios mínimos en la presión de vapor.

El diseño ideal para este tipo de intercambiadores es la forma esférica, sin embargo, no es práctico, por lo que se maneja una forma cilíndrica.

En un cuerpo cilíndrico las fuerzas transversales son fácilmente absorbidas por la estructura, sin embargo, las fuerzas longitudinales limitan la construcción de dichas calderas.

Los esfuerzos longitudinales tienden a causar ruptura lateral. Estas fuerzas son proporcionales a la presión y el diámetro del recipiente, el espesor de placa se va volviendo cada más grande en la medida que se tratan de absorber estos esfuerzos, por lo que el límite de presión que pueden alcanzar estos equipos es máximo 300 psig. (21 kg/cm²g).

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La combustión ocurre en el tubo de Morrison y los gases de combustión viajan a través de los tubos, hasta llegar a la chimenea. Estas calderas se construyen con 2,3 y 4 pasos. Los gases pasan a través de los tubos cediendo calor y disminuyendo su temperatura y volumen especifico, por lo que los pasos van disminuyendo en área total para efecto de mantener velocidades adecuadas para el mejor intercambio de calor con el agua y vapor. Tecnologías como Recirculación de Gases (FGR) son disponibles en la actualidad para calderas de tubos de humo. Este diseño reduce la emisión de NOx recirculando una porción de gases de combustión relativamente fríos dentro de la cámara de combustión, lo que reduce la temperatura de los gases de combustión. Un eficiente diseño de quemador deberá de suministrarse con el fin de asegurar la combustión total de los combustibles. Las paredes del quemador y los tubos pueden sufrir de fragilización por alta temperatura si no hay una rápida transferencia de calor entre el acero y el agua, por lo que deberá evitarse al máximo la posible incrustación debido a las sales presentes en el agua, con un tratamiento adecuado del agua de alimentación, ya sea por suavización o desmineralización según el caso lo amerite. El coeficiente de transferencia debido a los gases de combustión está en función a la velocidad con que pasan dentro del tubo, por lo que la máxima eficiencia se obtiene en ratings de carga alta, bajando considerablemente en cargas bajas. Las calderas de tubos de humo son de tipo no-condensante, esto significa que se tiene un límite bajo en la temperatura de los gases de combustión y por lo tanto una disminución en la eficiencia. Si se permite bajar demasiado la temperatura de los gases, presenta condensación, esta condensación provocaría serios problemas de corrosión y falla de los tubos por ruptura. Como regla de dedo se deberá de mantener alrededor de 100°F (55°C) la temperatura de los gases de chimenea con respecto a la temperatura de saturación del vapor. Usualmente en diseños estándar se requiere de 5 pies² de superficie de calentamiento por cada caballo caldera (BHP). Este tipo de caldera se diseña hasta máximo 1000 BHP. La eficiencia se incrementa con el número de pasos, sin embargo, existe un límite; la adición de un paso extra mejora la eficiencia promedio en 2 a 3%, sin embargo, esto causa mayores pérdidas de presión, teniéndose que compensar con aumento de potencia en los ventiladores. Desventajas de calderas de tubos de humo: 1) Alto diferencial de temperatura entre los gases de chimenea y la mezcla agua/vapor en la parte alta de la caldera. 2) Debido a las grandes dimensiones del cuerpo se requiere gran inversión en aislamiento para evitar pérdidas por radiación y convección, en algunos lugares se pueden presentar problemas de congelamiento cuando la caldera está parada. 3) El gran volumen de agua contenido implica tiempos de arranque muy largos antes de poder generar vapor. 4) Debido al gran volumen de agua contenido, se requiere gran cantidad de purga para eliminar los lodos en el fondo. Debe de equilibrarse la relación de número de pasos con el aumento de potencia, evitando bajar demasiado la temperatura de los gases de chimenea.

CALDERA DE TUBOS DE AGUA

A diferencia de las calderas de tubos de humo, las calderas de tubos de agua se diseñan con un mínimo de dos domos de acero, uno superior y otro inferior, unidos por tubos curvos, dentro de los cuales se almacena el agua, en el domo superior se separa el vapor. El proceso de combustión se lleva a cabo en el hogar en donde una parte de los tubos forman una pared para absorber la radiación proveniente del proceso de combustión. Los gases de combustión son llevados hasta la chimenea haciendo que se desvíen tocando los demás tubos hasta lograr el máximo de transferencia de calor.

Debido a su diseño, soportan altas presiones de vapor e inclusive pueden sobrecalentar el vapor, por lo que su uso está muy extendido en aplicaciones de potencia para la generación de energía eléctrica.

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GENERADOR MONOTUBULARES

Este generador de vapor, también llamado monotubular, utiliza un serpentín continuo, alimentado por una bomba de desplazamiento positivo. El espacio entre los tubos de las espiras es graduado para optimizar las características de la velocidad de los gases de combustión, mezclado y transferencia de calor.

El flujo de agua a través del serpentín en sentido contrario a los gases de combustión, comportándose como un intercambiador de calor de flujo cruzado. La salida de la unidad de calentamiento es conectada a un recipiente exterior donde se separa el vapor. Con este tipo de separador se pueden obtener hasta una calidad de vapor de 99.5%. Comparativamente con una caldera de tubos de humo, este generador de vapor es más compacto, más ligero en peso y por ende menos susceptible a perdidas por radiación y convección. Aunque los tubos en el generador de vapor son relativamente menores, la velocidad de agua y del vapor es mayor. La alta velocidad de flujo permite arrastrar los sólidos en suspensión hasta el separador de vapor, aquí son separados por gravedad, con una alta concentración de sales. Debido a esto solo una pequeña cantidad debe ser purgada para mantener los sólidos en suspensión bajo control. Debido a que el proceso de transferencia de calor es llevado a través de un sistema de convección forzada, la cantidad de superficie de transferencia requerida por Caballo Caldera es de 1.25 ft2. La separación de vapor se hace en un recipiente independiente, por lo que toda la superficie del serpentín es aprovechada para transferir calor. Por todo esto el volumen y peso de un generador de vapor se reduce hasta en un 75% con respecto a una caldera de tubos de humo.

Durante el arranque, paro o cambio en la demanda de vapor, el tiempo de respuesta es afectado por la masa térmica. Debido a que la masa térmica de una caldera de tubos de humo es mayor, su respuesta es menor.

La energía contenida en la masa térmica es perdida durante un paro y puede ser recuperada cuando la unidad arranca de nuevo y cualquier cantidad de vapor puede ser demandada. Esta perdida puede ser significativa si la unidad no es arrancada continuamente. Debido al diseño en espiral de la unidad de calentamiento y a la pequeña cantidad de agua almacenada, se logra absorber rápidamente los esfuerzos térmicos provocados por el calentamiento de los tubos, logrando generar vapor en tan solo 5 minutos después de arrancar totalmente fría.

PÉRDIDAS POR RADIACIÓN Y CONVECCIÓN:

Una caldera caliente debido a su alta temperatura radia calor al exterior por estar a más baja temperatura, está perdida de calor se incrementa cuando tenemos aire alrededor circulando a alta velocidad. Esta perdida es una función directa de la temperatura exterior y de la superficie expuesta, la mejor manera de disminuir está perdida es aislando el exterior y evitando tener la caldera a intemperie. La manera de medir está perdida es tomando la temperatura exterior del cuerpo de la caldera y midiendo la superficie expuesta. Estas pérdidas son constantes y no dependen de la capacidad de generación de vapor.

PÉRDIDAS POR DESECHO DE GASES CALIENTES EN LA CHIMENEA:

Los combustibles requieren de oxígeno para lograr el proceso de combustión, este oxigeno es obtenido del aire ambiente, lamentablemente el aire solo contiene el 21% de oxígeno, el restante 79% es nitrógeno. El nitrógeno es un gas que no interviene en el proceso de combustión, por lo que solamente se calienta y es descargado a la atmósfera a alta temperatura por la chimenea. Dependiendo del combustible, utilizamos de 13 a 20 kg. de aire por cada kg. de combustible, lo que implica que el 75% de los gases que escapan por la chimenea es nitrógeno caliente. El proceso de combustión no es un proceso natural, por lo que para garantizar que todo el combustible se queme, se requiere manejar un exceso de aire, este depende de la eficiencia del quemador. La manera de calcular está perdida es midiendo la temperatura de los gases de chimenea y analizando la cantidad de oxígeno y monóxido de carbono en los gases de chimenea. Estos parámetros son una relación directa de las perdidas debidas a gases de chimenea.

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PÉRDIDAS POR PURGAS DE CONDENSADO A ALTA TEMPERATURA

El agua que se utiliza para alimentar a las calderas contiene sales disueltas que se concentran debido a que el proceso de generación de vapor solo evapora agua, debido a esto debemos de tirar cierta cantidad de agua concentrada de sales a alta presión y temperatura, por lo que perdemos calor invertido en llevar el agua a esas condiciones, está perdida es una relación directa de la cantidad de agua que se deba de tirar.

PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL VAPOR GENERADO

La presencia de humedad en el vapor es debido al arrastre de líquido en la generación de vapor, esta agua no interviene en los procesos de calentamiento, por lo que es desechado como condensado perdiendo el calor latente que tiene. La adquisición de una caldera se hace normalmente calculando la demanda máxima de nuestros equipos consumidores de vapor e incrementando un 30 a 50% más debido a ampliaciones futuras, por lo que finalmente la caldera opera de un 30 a 60 % de su capacidad de diseño. Las calderas convencionales en cargas bajas de operación disminuyen su eficiencia de diseño. La capacidad de una caldera está dada normalmente con agua de alimentación a 100°C y una atmósfera de presión, pero el agua que alimentamos a nuestras calderas normalmente está a temperatura ambiente, por lo que requerimos utilizar parte del vapor generado para precalentar el agua de alimentación de 20°C a 100°C, bajando la eficiencia real de la caldera.

CÁLCULO DE PERDIDA DE CAPACIDAD POR PRECALENTAMIENTO

Suponiendo que se genere vapor a 10 kg/cm² DATOS: T = 185°C

Entalpia del líquido saturado........................... h f Entalpia de vaporización ................................. h fg = 478.4 kcal/kg. Entalpia del vapor saturado ............................ hg = 663 kcal/kg. = 185.6 kcal/kg.

CALOR REQUERIDO PARA LLEVAR UN C.C. DE 20°C A 100°C

Q = 15.6 kg/h x 1 kcal/kg°C x 80°C = 1,248 kcal/h

CALOR REQUERIDO POR C.C. DE 100°C A 185°C COMO VAPOR

Q = 15.6 kg/h x 1 kcal/kg°C x 85°C + 15.6 kg/h X 477 kcal/kg

Q = 8,767 kcal/h

PÉRDIDA DE CAPACIDAD = 1,248 Kcal/h / 8,767 Kcal/h = 14.2 %

Los Generadores de Vapor monotubulares de convección forzada por diseño recuperan en el separador el 25% en humedad de la cantidad de vapor que se está generando, este condensado se recupera al tanque de condensados actuando como sistema de precalentamiento .

CALOR RECUPERADO

QR= 15.6 Kg/h x 0.25 x 186 kcal/kg = 725 kcal/h

CALOR NECESARIO POR C.C. PARA LLEVAR DE 20°C A 100°C

Q = 1,248 Kcal/h 725 kcal/h = 523 kcal/h

PERDIDA DE CAPACIDAD = 523 Kcal/h / 8,767 Kcal/h = 6.0 %

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