MINISTERIO DE ECONOMIA Y PLANIFICACION

GUIA PARA EL ANALISIS Y EVALUACION DE CALDERAS Y REDES DE DISTRIBUCION DE VAPORMETODOLOGIA DE LA INSPECCION

INSPECCION ESTATAL ENERGETICA

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GUIA PARA EL ANALISIS Y EVALUACION DE CALDERAS Y REDES DE DISTRIBUCION DE VAPORINTRODUCCION

La evaluacin sistemtica desde el punto de vista energtico de los procesos de generacin y distribucin de vapor, constituye un paso importante en el logro de altas eficiencias. En el anlisis de estos procesos, el balance de calor es la informacin fundamental para apreciar correctamente los puntos de ineficiencias y actuar en consecuencia. La presente gua desarrolla un conjunto de ideas bsica para su utilizacin por los inspectores energticos y el personal responsable de estos servicios. Se ha procurado prescindir al mximo de explicaciones didcticas, frmulas complicadas, haciendo nfasis en el anlisis prctico y rpido de las variables y factores que influyen de manera ms acusada en el deterioro de la eficiencia trmica. OBJETIVOS DE LA GUIA Explicar las formas de trabajo de los diferentes modelos. Brindar uniformidad a la evaluacin de calderas y redes de distribucin de vapor. Posibilitar de una forma rpida y sencilla la estimacin del ahorro de energa en la generacin y distribucin de vapor.

ESTRUCTURA DEL TRABAJO Modelos de trabajo. Se designan como GV a los modelos para el anlisis de las calderas, como DV a los que contemplan el anlisis de la distribucin del vapor, como R a los resmenes de prdidas y mejoras, de igual forma al H-1 para el anlisis de hornos de combustin.

- GUIAS DE TRABAJO Anexos donde se detallan mtodos de clculos y tablas o grficos de cmputo. Utilizacin de programas de computacin para el clculo del rendimiento trmico de la caldera, prdidas en fugas por orificios y aislamiento trmico.

FORMA DE TRABAJO CON CADA MODELO - Modelo GV-1 y Modelo GV-2 Constituye una informacin cualitativa y slo debe tener cuidado en comprobar la veracidad de cada respuesta. Ya con esto Ud. podr ir conformando una idea de los problemas de la instalacin y medida para mejorar su eficiencia. - Modelo GV-3 Tomar los datos nominales de una fuente confiable y oficial preferentemente de la documentacin tcnica. Con estos datos y empleando el programa de computacin o las ecuaciones ofrecidas en el manual del mismo podr efectuar el balance energtico y cuantificar el sobreconsumo de combustibles por bajo rendimiento.

2 - Modelo GV-4 Aqu estar el resultado de los clculos efectuados en el balance energtico. A modo general y rpido de comprobacin se fija que el mayor valor debe ser siempre el total de energa de entrada, le sigue el calor til y luego la suma de las prdidas. De no ser as hay error de clculo. - Modelo GV-5 Se ofrece una esquema complejo de las energas de entrada y salida. Usted deber marcar las opciones reales que tenga su esquema en la entidad inspeccionada. Con ello tendr una valoracin de lo que ha dejado de considerar en el balance efectuado. - Modelo DV-1 Consta de tres bloques, en los que se precisan los datos necesarios, mtodo de clculo y resultados a obtener en las diferentes o principales prdidas en una red de distribucin de vapor. Para trabajar con este modelo requerir de los anexos # 1, 2, 3, 4, 5. El % de condensado perdido debe obtenerse as: . Por informacin de la entidad . Por balance, o sea flujo de vapor - flujo de agua de aporte. En esta opcin debe conocer el flujo de agua de aportacin. . Por estimacin del inspector, para lo cual debe revisar cuidadosamente el proceso de uso y retorno del condensado (si se contamina, si funcionan las trampas de vapor, si se recogen las descargas de las trampas, etc.) En todos los casos, o sea, en cualquier opcin divida la cantidad de condensado perdido entre la cantidad de vapor producido en el perodo de anlisis. - Modelo R-1 Este modelo se confecciona con el resultado de los clculos efectuados y que aparecen detallados en los modelos GV-3, GV-4 y DV-1. - Modelo H-1 (Premisas a tener en cuenta para el trabajo de los hornos)

Este modelo le ofrece orientaciones fundamentales para lograr un trabajo eficiente en la operacin de hornos de combustin y a su vez algunos para evaluar de forma aproximada prdidas de energa adicionales a las contempladas en el clculo de su rendimiento. - Modelo H-2 Calor sensible en gases salientes (Q2): Esta prdida debe expresarla en kcal/h, para ello multiplique Q2 por el consumo de combustible del horno en kg/h.

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Calor sensible del aire precalentado: Calclese solo si existe o tiene precalentador de aire con gases: QAire = Vaire x Cp x t ; kcal/h Vaire = Volumen de aire; m3/h (tmelo de los datos del ventilador) Cpaire = calor especfico del aire: kcal/m3 C t = (Temperatura salida del aire del precalentador - Temperatura de entrada) C. Con esto se calculara el calor que se recupera de los gases por precalentamiento del aire. - Modelo H-2 Este modelo le servir para tomar los datos necesarios para emplear la metodologa de clculo que se explica a continuacin, por la cual podr obtener el rendimiento trmico del horno, as como el sobreconsumo de fuel oil por bajo rendimiento. Explicacin de la metodologa de clculo Calor obtenido por la carga Rendimiento (R) = Calor del combustible (PCS) Clculo del calor absorbido por la carga (QA): QA = L.A.C.M. Cp (ts - te) Donde: QA = Calor absorbido por la carga del horno: kcal/h L, A = Largo y ancho del horno: m Carga alimentada en kg/h C = LxA M = Carga alimentada al horno: kg/h Cp = Calor especfico de la carga, que depende del fluido que sea y de la temperatura que tengan la misma: kcal/kg.C ts = Temperatura de salida de la carga: C te = Temperatura de entrada de la carga: C Clculo del calor suministrado por el combustible (Qs): Qs = (P.C.I.) Pe . B Donde: P.C.I. = Poder calrico inferior: kcal/kg Pe = Peso especfico del fuel, puede tomar 0.95 kg/l B = Consumo de combustible del horno: l/h kcal/h kg/m.h kcal/h x 100

4 - Prdidas no medidas (PN): Se refieren a prdidas de calor que pueden surgir por inquemados, por radiacin y conveccin al medio ambiente, etc. PN = QS - QA - Q2 Prdidas totales (PT): PT = PN + Q2 kcal/h kcal/h (esto es el balance trmico)

Ya est Ud. en condiciones de calcular el rendimiento. QA R = B . Pe . PCS Donde: QA = Calor absorbido por la carga: kcal/h B = Consumo de combustible: l/h x 100 = %

Pe = Peso especfico de fuel oil: kg/l (tome 0.95) PCS = Poder calrico superior: kcal/kg

- Sobreconsumo de combustible por bajo rendimiento: Rend. Nominal - Rend. Real x 100 Esto es el ahorro de combustible que se hubiera obtenido en el perodo analizado si el rendimiento hubiera sido nominal. Si no conoce el valor nominal de la eficiencia asuma el 5 % por encima de la real. Esta metodologa constituye un primer intento de unificar los clculos como base de referencia lgica al comparar resultados, por lo que entendemos es susceptible de mejorarse ampliamente siguiendo siempre el principio de un algoritmo rpido y prctico, as como resultados tiles a los efectos de la actividad de inspeccin energtica. Consumo Comb. en el perodo (t)

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PREMISAS A TENER EN CUENTA PARA EL TRABAJO DE LOS HORNOS

1. Siempre que sea posible el trabajo del horno debe ser continuo. 2. Buena hermeticidad para evitar entradas de aire, que disminuiran la temperatura de la llama. Un aumento del 10 % sobre el aire estequiomtrico, producir una disminucin del rendimiento cercano al 6 %. 3. El empleo de materiales altamente refractarios, permite temperaturas altas en las llamas y mejoras en la eficiencia trmica. 4. Debe trabajarse a plena capacidad nominal. Un horno que trabaje al 50 % de su capacidad nominal, tiene un consumo especfico superior en un 25 %. 5. No operar nunca a temperatura ms alta de las necesarias, teniendo en cuenta la carta tecnolgica de trabajo. 6. En el horno de refinera que quema Fuel Oil o gas con un 10 % de exceso de aire, el precalentamiento del aire hasta 240 C permite mejorar el rendimiento en un 9%. 7. Por cada kg de carbono en el combustible que se queme a C0, en vez de CO2, se pierden 5650 kcal/kg. 8. Evitar una excesiva humedad en los productos a tratar, secndolos antes de su introduccin al horno mediante gases residuales (en los casos que proceda). 9. Trabajar con temperaturas de la llama tan prxima como sea posible a la terica prevista. 10. Utilizar analizadores de gases para verificar la eficiencia de la combustin. 11. Utilizar aislantes ptimos para evitar temperaturas de pared excesivas y por tanto prdidas por radiacin, recuerde que la temperatura exterior de las paredes no debe exceder los 60 C.

6 - Aspectos a reflejar en las conclusiones del acta: . Sobre generacin y distribucin de vapor: El anlisis de los modelos de trabajo es el argumento que tendr el inspector para emitir los siguientes criterios concluyentes: Valoracin de la instrumentacin de la caldera. Valoracin del registro y anlisis de los parmetros de la caldera. Valoracin de la prdida con gases de escape. Valoracin de la prdida por fugas de vapor. Valoracin de la prdida por baja temperatura del agua de alimentar y por el tratamiento del agua. Valoracin de la prdida por no recuperacin del condensado.

Las valoraciones deben ser cuantitativas y cualitativas. Por ejemplo: Existen enormes prdidas por fugas de vapor que implican un sobreconsumo de 50 t/ao de fuel-oil.

- Generacin de calor: Deber realizar una valoracin muy concreta sobre las premisas que se ofrecen en "PREMISAS A TENER EN CUENTA PARA EL TRABAJO DE LOS HORNOS". Adems debe valorar las prdidas con gases y lo que representa recuperar parte de este calor utilizando la va de aumentar la capacidad del sistema de recuperacin de calor, esto lo har refirindose al incremento del rendimiento del horno por tal concepto.

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MODELOS DE TRABAJO A UTILIZAR EN LAS INSPECCIONES A CALDERAS Y REDES DE DISTRIBUCION DE VAPOR

OBJETIVOS 1. Obtener la informacin que se solicita en cada modelo. 2. Posibilitar la uniformidad en los datos a obtener para la evaluacin de calderas y redes de distribucin de vapor.

ESTRUCTURA DEL TRABAJO 1. Modelos de trabajo designados como: GV, DV, R-1 y H-1.

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INSPECCION ESTATAL ENERGETICA

MODELO GV - 1

1.- DATOS GENERALES DE LA CALDERA 1.1 Tipo de caldera: 1.2 Marca: 1.3 Ao de fabricacin: 1.4 Pas de procedencia: 1.5 Tipo de combustible que utiliza 1.6 Tipo de hogar: Fuel Oil ___ Al vaco ____ Crudo Nacional ___ Acuotubular ____ Pirotubular ____ CTE____

Diesel ___ Presurizado ____

Bagazo ___

Gas ___

CARACTERISTICAS DE LOS TIROS 1.6 Inducido mecnico ____ 1.7 Horas de trabajo al ao: 1.8 Posee: Sobrecalentador __ Economizador ___ SI ____ Calentador Aire ____ Ind. Natural ____ Forzado Mecnico

1.9 Posee precalentador del agua de alimentar?

NO ____

TIPO DE ATOMIZACION 1.10 Mecnica____ Mecnica con Vapor ____ SI____ Copa Rotatoria ___ NO____

1.11 Posee precalentamiento del combustible? 1.12 Entrega Vapor: Saturado _______ 1.13 Posee tratamiento del agua de alimentar? 1.14 Posee sistema de limpieza de superficie? 1.15 Se realizan anlisis de gases peridicos? 1.16 Se realizan anlisis qumicos del agua de la caldera? 1.17 Posee documentacin tcnica? 1.18 Posee banco de prueba de quemadores?

Sobrecalentado _____ SI____ SI____ SI____ SI ____ SI_____ SI ____ NO____ NO____ NO____ NO____ NO____ NO____

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1.19 Posee instrumentos de medicin de los siguientes parmetros Temperatura de los Gases a la salida __ Temperatura del Agua de alimentacin ___ Temperatura del Vapor ___ Flujo de Vapor ___ Presin del Vapor ___ Flujo de Combustible ___

1.20 Magnetizador para el H2O de Alimentacin ____ COMENTARIOS:

Emulsor de Combustible____

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INSPECCION ESTATAL ENERGETICA

MODELO GV - 2 2- INSPECCION VISUAL DE LA CALDERA 2.1 Compruebe el estado tcnico del refractario y del aislamiento trmico, la temperatura de las paredes exteriores no debe exceder de los 50 C. 2.2 Revise el color de la llama, este debe ser uniforme y anaranjado. t ______ C

Amarillo brillante __ Anaranjado __ Rojizo __ Funciona Bien __ Funciona Regular __ Funciona Mal __ Buena Regular Mala __ __ __

2.3 Verifique el funcionamiento libre de las compuertas de regulacin de aire.

2.4 Compruebe la hermeticidad de las mirillas y registros de acceso.

2.5 Compruebe el funcionamiento de los niveles visuales de agua. 2.6 Compruebe si las vlvulas de seguridad del domo principal funcionan libremente. 2.7 Compruebe si los sistemas de regulacin automtica funcionan.

Funcionamiento __ No funciona __ SI NO __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ VTI NO __ NO __ NO __ NO __ __ __

Totalmente Parcialmente No Funciona SI NO Bien Regular Mal VTF SI __ SI __ SI __ SI __ Totalmente Parcialmente

2.9 Chequear si se recuperan las purgas mediante sistema de Flash. 2.10 Compruebe si los sistemas de proteccin funcionan.

2.11 Compruebe si los ventiladores de tiro forzado e inducido tienen ruido y/o vibraciones.

2.12 Chequee si tiene salideros de vapor. 2.13 Chequee si existe salideros de agua. 2.14 Compruebe si el operador conoce el valor de los principales parmetros de trabajo. (Todos los del modelo GV-3)

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2.15 Compruebe si existe el libro de control de los parmetros de trabajo diariamente 2.16 Verifique si existen Plan de Mantenimiento y su cumplimiento.

SI NO

__ __

Existe y se cumple__ Existe y se viola __ No existe __

COMENTARIOS:

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INSPECCION ESTATAL ENERGETICA

MODELO GV - 3

3- PARAMETROS DE LA CALDERA

Valor Nominal

Valor Real

Unidades

Mtodo Obtenc.

3.1 3.2 3.3 3.4

Produccin de vapor. Temp. de vapor entregado. Presin del vapor entregado. Temp. del agua de alimentar. Presin del agua de alimentar

t/h C kg/cm C kg/cm C kg/cm C C kg/h % % % %

Medicin Medicin " " " " " " " Clculo Medicin Medicin " " " Estimado

3.5

Temp. del combustible. Presin del combustible

3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14

Temp. gases de salida. Temp. aire entrada del horno. Exceso de aire a la salida. Consumo de combustible. Indice Bacharach. CO2 en gases escape. O2 en gases escape. CO en gases escape. % de purgas.

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Valor Nominal 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 Caudal agua alimentar Slidos totales en el agua de la caldera. Rendimiento trmico. Ind.generac. bruta. Humedad del bagazo. Contenido de sacarosa del bagazo. Temperatura ambiente. Temperatura de las cenizas. Temperatura media de la pared. Dimetro de la caldera. Longitud de la caldera. Poder Calrico Inferior.

Valor Real

Unidades kg/h ppm % kg/kg % % C C C m m kcal/kg

Mtodo Obtenc. Medicin Medicin Clculo Clculo Medicin Medicin " " " " " Calculado o por datos Medicin

3.25

3.26

Slidos totales en el agua de alimentar a la caldera. Costo del combustible.

ppm

3.27

USD/t

Datos

COMENTARIOS:

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INSPECCION ESTATAL ENERGETICA

MODELO GV - 4

BALANCE ENERGETICO DE LA CALDERA

Generador de Vapor No. ___________________________________________

ENERGIA DE ENTRADA (kcal/kg)

CONCEPTO 1 2 3 4 5 Poder calrico inferior Calor de calentamiento del combustible Calor aportado por el aire precalentado Calor aportado por el vapor de atomizacin Total

VALOR (kcal/kg) ________________ ________________ ________________ ________________

% ______ ______ ______ ______ 100

ENERGIAS DE SALIDAS (kcal/kg)

CONCEPTO 1 2 3 4 5 6 7 Prdida por Calor sensible en los gases Prdida por CO en gases Prdida por incombustin mecnica Prdida por radiacin y conveccin Otras Calor til Suma total

VALOR (kcal/kg) ________________ ________________ ________________ ________________ ________________ ________________ ________________

% ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______

NOTA: En el balance de la energa de salida la columna de % es con respecto a la energa de entrada.

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INSPECCION ESTATAL ENERGETICA

MODELO GV - 5

5. DIAGRAMA MONOLINEAL DE LA CALDERA

16 INSPECCION ESTATAL ENERGETICA

MODELO DV - 1

1.- EVALUACION DE PERDIDAS

1-

PERDIDAS POR ORIFICIOS Y VENTEOS

DATOS NECESARIOS

1.1.1 SALIDEROS DE VAPOR DETECTADOS DIAMETRO DEL SALIDERO EN mm CANTIDAD DE SALIDEROS PRESION DEL VAPOR EN kg/cm_____ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________ _______________

1.1.2 Clculos (Utilice el anexo 1). 1.1.3 Prdidas de vapor: 1.1.4 Prdidas de vapor: 1.1.5 Prdidas de vapor: 1.1.6 Total de prdidas: kg/h kg/h kg/h kg/h

1.1.7 Clculo: (1/Indice de generacin) x Factor 1.1.6 = kg Combustible/h

17 1.2 PERDIDAS DE CALOR POR AISLAMIENTO DE TUBERIAS DATOS NECESARIOS Si la tubera no tiene aislamiento trmico y no conoce la temperatura de su superficie.

-

2.1.1 TUBERIAS SIN AISLARDimetro exterior (mm) Longitud tubera (m) Presin fluido (kg/cm) Temperatura fluido (C) Horas de trabajo (h/ao) Cantidad de accesorios Temperatura pared exterior de la tubera (C)

1.2.2 Clculo (utilice el Anexo 2) en todos los casos. 1.2.3 Resultado: kg de fuel oil/ao.

- Si es un tanque y no tiene aislamiento trmico necesitar:

1.2.4 TANQUES SIN AISLAR (SIN AISLAMIENTO)Tanque No. Temperatura fluido interior (C) Longitud o altura (m) Dimetro exterior (m) Horas de trabajo en el ao

18 1.2.5 Si el recipiente no es cilndrico, tome las dimensiones necesarias para el clculo de la superficie exterior y datos de 1.2.4. Resultados: kg fuel/ao.

1.2.6

1.3 PERDIDAS POR NO RECUPERACION DEL CONDENSADO DATOS NECESARIOS 1.3.1 1.3.2 1.3.3 % condensado perdido de la produccin de vapor. Clculo (utilice grfico del Anexo 3). Resultados: % de incremento del consumo fuel oil kg Fuel/ao

Calcule: (lnea 1.3.2)(Consumo Fuel/ao)/100=

1.4

PERDIDAS DE COMBUSTIBLE POR BAJA TEMPERATURA DEL AGUA DE ALIMENTAR Por cada 5 C menos que tenga el agua de alimentar en relacin la que deba tener, estime un 1% de incremento en el consumo de combustible respecto al nominal.

1.4.1 Temperatura Nominal del agua de alimentacin - Temperatura Real = 1.4.2 Resultados: % de incremento del consumo de fuel oil.

C

1.4.3 Calcule: [(lnea 1.4.2)/100](consumo fuel al ao) = kg/ao

1.5

PERDIDAS POR NO AJUSTE DE LA SALINIDAD EN LA CALDERA

1.4.1 Masa de vapor producido (Mv) Datos en 3.1 del modelo GV - 3 y 1.7 del modelo GV - 1 Mv = {(kg vapor/h)(h/da)(da/semana)(semanas/ao)]/ao}/1000 t 1.4.2 Por ciento de purga requerido Datos en 3.16 y 3.26 del MODELO GV - 3 % de purga requerido = [STD agua alimen./(STD caldera - STD agua de alimentacin)]100

1.4.3 Fijar que valor de salinidad debemos recomendar alcanzar mediante un mejor control de las purgas y en correspondencia con los valores especificados en la norma UNE-9075. (ver ANEXO 5). 1.4.4 Por ciento de purga ajustada % de purga requerido = [STD agua de alimentacin/(STD recomendado - STD agua de alimentacin)]100

19 1.4.5 Disminucin del por ciento de purga P = % de purga requerido - % de purga ajustado 1.4.6 Disminucin de la masa de purga ( Mp ) Mp = Mv P t/ao 1.4.7 Se determina la entalpa del agua a la presin de trabajo de la caldera (iA en kcal/kg). 1.4.8 Determinacin de sobreconsumo de combustible F = ( Mv iA)/ VCI kg/ao 1.4.9 Disminucin de los costos de combustibles (F)(precio del combustible) = USD/ao

COMENTARIOS:

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INSPECCION ESTATAL ENERGETICA RESUMEN DE LAS PERDIDAS (t DE FUEL OIL)Establecimiento Consumo de combustible (t) Baja eficiencia de calderas (t) Por no Recirculacin del Condensado (t)

MODELO R-1 PERIODO:DESDE _____________ A _____________Aislamiento Trmico (t) Por no ajuste de la salinidad Fugas de Vapor Prdidas Totales (t) % Consumo de Combustible con respecto a las Prdidas Totales (%)

Por baja Temperatura del Agua de Alimentacin (t)

21 INSPECCION ESTATAL ENERGETICA RENDIMIENTO TERMICO DEL HORNO DATOS NECESARIOS PARA EL CALCULO 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 Tipo de horno Combustible que quema Consumo de combustible Longitud del horno Ancho del horno Temperatura de salida de los gases de escape Temperatura de salida de la carga del horno Temperatura de entrada de la carga al horno Carga alimentada al horno Volumen de aire introducido al horno Temperatura entrada del aire al precalentador de aire Temperatura de salida del aire del precalentador de aire Poder calrico superior del combustible Poder calrico inferior del combustible Contenido de CO2 en los gases de escape Contenido de O2 en los gases de escape Calor especifico de la carga a la temperatura que tenga Rendimiento Nominal del horno l/h m m C C C kg/h m/h C C kcal/kg kcal/kg % % kcal/kg.C % VALOR U/M MODELO H-1

Resultados (los principales son los siguientes) 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 Rendimiento trmico del horno Prdidas no medidas Prdidas con los gases de salida Prdidas totales Calor absorbido por la carga Sobreconsumo de combustible para baja eficiencia % kcal/h kcal/h kcal/h kcal/h t/perodo

22 ANEXO # 1 EVALUACION DE LAS PERDIDAS POR ORIFICIOS Y VENTEOS Es frecuente encontrar durante las inspecciones a empresas que poseen generacin de vapor, fugas de ste a la atmsfera por orificios en tuberas y otros accesorios. La velocidad de derrame de un fluido gaseoso a travs de un orificio, desde una presin P2 a otra P1 viene dada por la expresin: K1 \/ 2g (P2 - P1) donde. V = Velocidad del fluido (m/s) g = 9.81 (m/s) P2 - P1 = diferencia de presin (kg/m) = peso especfico del fluido a la presin P2 (kg/m3) 1 K = Coeficiente que depende del tipo de fluido Si en vez de calcular la velocidad queremos calcular el caudal del fluido que escapa por el orificio, hay que tener en cuenta el rea del orificio. Para el vapor, se tiene la siguiente expresin cuando el orificio descarga a la atmsfera. Q = K . d2 \/ P (P + 1) Q = Caudal de fluido que sale por el orificio (kg/h) d = Dimetro del orificio (mm) P = Presin manomtrica del vapor (kg/cm) k = 0.35 - 0.45 0.4 La expresin anterior se muestra grficamente en el baco de la figura No.1 que relaciona: "Fugas de vapor a la atmsfera a travs de un orificio en funcin de la presin manomtrica del vapor". Ejemplo de clculo: Se ha observado una tubera de vapor y se ha visto que tiene 10 puntos de fugas que se han estimado que son: - 3 puntos de fuga de 2 mm de dimetro - 4 puntos de fuga de 4 mm de dimetro - 3 puntos de fuga de 6 mm de dimetro La tubera trabaja a 10 atmsferas con vapor sobrecalentado a 480 C y la eficiencia de la caldera es de 86 %. De acuerdo a la figura No.1 las prdidas de vapor son: (3 x 15 kg/h) + (4 x 58 kg/h) + (3 x 132 kg/h) = 673 kg/h La entalpa del vapor generado es de 820 kcal/kg de vapor (segn tablas de vapor sobrecalentado). Por tanto se est perdiendo: 820 kcal/kg x 673 kg/h = 623 kg/h de fuel oil 1030 kcal/kg x 0.86 La fbrica trabaja 6 000 horas al ao. Por tanto: 623 kg/h x 6000 h/ao = 3738 t fuel oil al ao que se pierden por fugas por orificios.

v =

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Fig.1 Fugas de vapor a la atmsfera a travs de un orificio en funcin de la presin manomtrica del vapor. (Tomado de Clculos Rpidos I, 1987, Provisional).

24 ANEXO #2

PERDIDAS POR AISLAMIENTO DE TUBERIAS (EVALUACION)

ACERCA DE LA DETERMINACION DE LAS PERDIDAS DE CALOR CUANDO NO HAY AISLAMIENTO - Observaciones preliminares Las prdidas de calor que se originan debido a que las tuberas que transportan vapor, agua hirviendo, agua caliente o de condensado no estn aisladas, se subestiman en mltiples ocasiones. Mediante un aislamiento adecuado, estas prdidas se pueden reducir hasta un 80 %. A continuacin explicaremos como aplicar algunos mtodos simplificados de clculos para determinar las prdidas de calor, partiendo para ello de algunos ejemplos. - Clculo de las prdidas de calor Qv Temperatura de la superficie de las tuberas Si se conoce la temperatura de la superficie de la tubera, entonces las prdidas de calor se calcularn de la siguiente forma: Qv = F . a (tw - tL) donde: Qv = Prdida de calor de la tubera en kcal/h F = Superficie de la tubera en m a = Coeficiente de transmisin trmica de la pared de la tubera al aire en kcal/m.h.grd. tw = Temperatura de la pared externa de la tubera en C tL = Temperatura del aire ambiental en C El coeficiente de transmisin de calor se halla mediante la frmula:3

(1)

a = 8.2 + 0.00733 tw

\/ tw

(2)

25 Temperatura no conocida de la superficie de las tuberas Si no se conoce la temperatura de la superficie de la tubera, entonces tenemos: Qv = F . k (ti - tL) donde: K - ndice de transmisin de calor en kcal/m.h.grd. ti - la temperatura promedio del agua o vapor que se encuentre en la tubera. tL - Temperatura del aire ambiental en C Para k puede tomarse k = 8 + 0.04 . ti k = 8 + 0.036 (ti - t) en caso de tuberas de vapor saturado sin aislamiento en caso de tuberas de vapor caliente sin aislamiento, siendo t la diferencia de temperatura entre el vapor caliente y la pared interior de la tubera, lo cual puede estimarse entre 40-50 grados. en caso de tuberas de agua hirviendo (120 C hasta 150 C) en caso de tuberas de condensado (3)

k = 10 - 20 k = 8.5

A continuacin, exponemos algunos valores k exactos: Vapor saturado p (kg/cm) 0 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 7.0 9.0 12.0 15.0 19.0 ti (C) 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 k (kcal/m.h.grd) 12.0 12.4 12.8 13.2 13.6 14.0 14.4 14.8 15.2 15.6 16.0 16.4

26 Vapor sobrecalentado ti (C) 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 280 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 Ejemplos de clculo Las siguientes tuberas y piezas de la instalacin no poseen aislamiento: a) 60 m de tuberas de vapor saturado con 2 vlvulas y 3 bridas, dimetro nominal 50 (dimetro exterior 60 mm) 8 kg/cm de presin del vapor. La tubera se halla en explotacin alrededor de 4 000 horas al ao. Clculo de la superficie sin aislamiento: F = 0.06 m . 3.14 . 60 m = 11.3 m a ello se suma una superficie equivalente para 2 vlvulas y 3 bridas. 0.06 m . 3.14 . 5 m = 0.9 m F= total superficie sin aislar = l2.2 m ti2-At (grad) 135 145 155 165 175 185 195 205 215 225 235 245 255 265 275 285 295 305 315 325 335 345 355 365 375 385 395 405 k (kcal/m.h.grd) 12.9 13.2 13.6 13.9 14.3 14.7 15.0 15.4 15.7 16.1 16.5 16.8 17.2 17.5 17.9 18.3 18.6 19.0 19.3 19.7 20.1 20.4 20.8 21.1 21.5 21.9 22.2 22.6

27 Clculo de la prdida de calor segn la frmula (2) Qv = 12.2 m. 14.8 kcal/m h.grd (170 - 30) grd = 25278 kcal/h Qv = 25278 kcal/h . 4000 h = 101 112 000 kcal/a Mediante aislamiento se debe evitar el 80%: Qv = 101 112 000 . 0.80 = 80 889 600 kcal/a 80 889 600 kcal/kg Qv = (a)(10300 kcal) b) 85 m de tubera de condensado DN 40 (dimetro exterior 48 mm), tiempo de explotacin anual: 7 000 horas Clculo de la superficie sin aislar: F = 0.048 m . 3.14 . 85 m = 12.8 m Clculo de la prdida de calor segn la frmula (2) = 7 853.4 kg/ao petrleo combustible (fuel oil)

Qv = 12.8 m. 8.5 kcal/m.h.grd.(80 - 30) grd = 5440 kcal/h Qv = 5440 kcal/h . 7000 h/ao = 38 080 000 kcal/ao Mediante aislamiento se debe evitar el 80%: Qv = 38 080 000 . 0.80 = 30 464 000 kcal/ao 30 464 000 Qv = 10300 c) 30 m de tubera, DN 150 (dimetro exterior 159 mm), vapor caliente 360 C, adems 1 vlvula y 3 pares de bridas, tiempo de explotacin anual: aproximadamente 6 000 h. Clculo de la superficie sin aislar F = 0.159 m . 3.14 . 30 m = 15.0 m a ella se suma superficie, equivalente para vlvulas y bridas F = 0.159 m . 3.14 . 4 m = 2.0 m Superficie total = 17.0 m = 2958 kg/ao fuel oil

Clculo de la prdida de calor segn la frmula

(2)

Qv = 17 m x 19.34 kcal/m.h.grd. (360 - 30) grd = 108 497.4 kcal/h Qv = 108 497.4 kcal/h . 6000 h/ao = 650 984 400 kcal/ao

28 Mediante aislamiento se debe evitar el 80%: Qv = 650 984 400 . 0.80 = 520 787 520 kcal/ao 520 787 520 Qv = 10300 d) Tanque de agua de alimentacin, temperatura promedio 80 C capacidad 10 m3, utilizacin 7 000 h/ao. El tanque tiene la forma de un cilindro con un dimetro 1.6 m y una longitud de 5 m. Clculo de la superficie del cilindro: 2 Fondos d2 . F= 4 Camisa F = d . . l = 1.6 . 3.14 . 5 = 25 m Superficie total F = 29 m Clculo de las prdidas de calor segn la frmula (2) x 2 = 4 1.62 . 3.14 = 2 = 4 m = 50 567.8 kg/ao fuel oil

Qv = 29 m . 8.5 kcal/m.h.grd. (80 - 30) = 12 325 kcal/h Qv = 12 325 kcal/h. 7 000 h/ao = 86 275 000 kcal/ao Mediante aislamiento se debe evitar el 80 %: Qv = 86 275 000 kcal/ao . 0.8 = 69 020 000 kcal/ao 69 020 000 Qv = 10 300 Observaciones finales Para realizar un clculo aproximado y documentar las prdidas por falta de aislamiento en el marco de las inspecciones, se puede trabajar con presiones y dimetros de tuberas promedio. En el caso de tuberas de vapor y agua caliente, as como de condensado se tomara la temperatura promedio. De esta forma se reduce el clculo de las prdidas, y la exactitud es totalmente satisfactoria. Ejemplo 1: Tuberas de vapor saturado sin aislar Datos Dimetros nominal DN Presin P Longitud l Tubera 1 Tubera 2 Tubera 3 Dimensin 60 6 50 100 13 80 100 6 20 mm kg/cm m = 6 701 kg/ao fuel oil

29 Dimetro nominal promedio: (60.50) + (100.80) + (100.20) DN = 50 + 80 + 20 Presin promedio: (16.50) + (13.80) + (6.20) DN = 50 + 80 + 20 Suma de las longitudes de las tuberas l = 50 + 80 + 20 = 150 m Las tuberas de dimensiones diferentes se considera, por tanto, como una tubera de 150 m de longitud con un dimetro nominal de 87 mm, vapor saturado de 9.7 kg/cm. Anlogamente se pueden reducir a un valor promedio las cifras de los diferentes tiempos de explotacin por ao. Ejemplo 2: Tubera de vapor caliente sin aislamiento Datos Dimetro nominal DN Temperatura t Longitud l Tubera 1 Tubera 2 Tubera 3 Dimensin 60 200 50 100 220 80 100 425 20 mm C m = 9.7 kg/cm = 87 mm

El dimetro nominal, el nmero promedio de horas de explotacin al ao y la longitud total, se calculan como en el Ejemplo 1. La temperatura de valor caliente promedio de: (200.50) + (220.80) + (425.20) t = 50 + 80 + 20 - Atencin 80 % de las prdidas calculadas pueden ser eliminadas con aislante: Qv REAL = Qv . 0.8 (kcal/h) = Qv . 0.8 . B (kcal/a) B mB = PCI . k Sobreconsumo de combustible por concepto de tuberas y tanques sin aislante. nmero de horas al ao en que son operadas las tuberas o tanques. Qv . 0.8 . B = 241 C

mB =

PCI = Poder Calrico Inferior del combustible (kcal/kg) k = Grado de efectividad de la caldera ( % )

30 - Atencin En caso de dimetros diferentes en las tubera, presiones o temperaturas de vapor diferentes (en tuberas de vapor sobrecalentado) puede simplificarse calculando con valores promedio, por ejemplo: (P1 . 1) + (P2 . 2) + (P3 . 3)... P= l1 + l2 + l3 ... (d1 . l1) + (d2 . l2) + (d3 . l3)... d= l1 + l2 + l3 .... (m o mm) (kg/cm)

p = presin promedio

31ANEXO # 3

CALCULO DEL INCREMENTO DEL CONSUMO DE FUEL OIL EN FUNCION DE LA PERDIDA DE CONDENSADO

32 ANEXO 4 PERDIDAS POR RADIACION La ecuacin de Stefan-Bolfzman define las variables que influyen en la cantidad de energa en forma de calor emitido en la unidad de tiempo. Q = 4.88 x 10-8 S (T14 - Ta4) Donde: S - Area de la superficie: m - Emisividad de la superficie del cuerpo: adimensional T1 - Temperatura del cuerpo emisor: K Ta - Temperatura ambiente: K Q - Calor emitido: kcal/h

TABLA DE EMISIVIDAD () DE DIFERENTES SUPERFICIES SUPERFICIE Acero Aluminio pulido Aluminio oxidado Chapa acero Chapa acero oxidado Fibra mineral Asbesto cemento Acero galvanizado Pintura negra Pintura al aceite Pintura de aluminio Yeso EMISIVIDAD 0.28 0.09 0.75 0.55 0.65 0.70 0.90 0.30 0.87 0.94 0.52 0.96

33 ANEXO # 5

El agua que se introduce en la caldera, para ser convertida en vapor, recibe el nombre de agua de alimentacin. Si se trata de condensado que es recirculado, habr pocos o ningn problema con el agua; pero si el agua es cruda, habr necesidad de liberarla de oxgeno, precipitados, sales disueltas, sustancias incrustndose y dems elementos contaminantes. La presencia de elementos que provocan la formacin de incrustaciones, espumas o arrastres de agua con el vapor afectaran desfavorablemente el funcionamiento de la caldera.

Como norma general, la calidad del agua de alimentacin deber ser:

a)

Para calderas inferiores a 17 kg/cm Limpieza (exenta de turbiedad) Libre de aceite (1 - 3 ppm) De poca dureza (2 - 10 ppm) Alcalina (PH = 8.5 a 9.5)

b)

Para calderas superiores a 20 kg/cm Clara Exenta de aceite (0.5 ppm) Muy poca dureza (0.5 ppm) Alcalina (PH = 8 a 9.5) Bajo contenido en slice

PERDIDAS EN % DE CALOR DEBIDO A INCRUSTACIONES Espesor de la incrustacin en pulgadas 1/50 1/32 1/25 1/20 1/16 1/11 1/9 Carbonatos suaves Carbonatos duros Sulfatos duros

3.50 7.00 8.00 10.0 12.5 15.0 --

5.25 8.30 9.90 11.25 12.60 14.30 16.00

3.00 6.00 9.00 11.00 12.60 14.30 16.00

Nota: Tomado de National Aluminate Corporation (NALCO ITALY).

34 Las caractersticas del agua de alimentacin exigidas por la norma UNE 9075, son las siguientes:

CALDERAS DE TUBOS DE HUMO - AGUA DE ALIMENTACION (Tomado de Generadores de Calor, Curso de Postgrado, Gestin de la Energa Trmica, CADEM, 1994) Presin mxima de servicio P en kgf/cm Aspecto visual Dureza en grados hf. pH a 20 C Materias orgnicas en mg/l de MnO4K consumido Aceite, en mg/l p 11 11 < p 17 p > 17

Transparente, sin color ni sedimentos 1 8.5 a 9.5 10 3 0.6 8.5 a 9.5 10 2 0.2 8.5 a 9.5 10 1

Se puede observar que la norma no hace referencia a los gases disueltos en el agua (O2 y CO2) y cabe sealar que es recomendable (y hasta exigido por los fabricantes de calderas) la desgasificacin a partir de 10 kg/cm.

CALDERAS DE TUBOS DE HUMO - AGUA DE ALIMENTACION (Tomado de Operadores Industriales de Calderas, Conocimientos bsicos para la obtencin del carnet de operadores de calderas, Ministerio de Industria y Energa, Espaa, 1986) Presin mxima de servicio P en kgf/cm Aspecto visual Dureza en mg/ l de CO3Ca pH a 20 C Materias orgnicas valoradas en mg/l de MnO4K consumido (3) Aceites y grasas, en mg/l (1) (2) (3) p 0.5 p > 0.5 (1)

Transparente, sin color ni sedimentos 10 7.5 a 8.5 10 3 10 7.5 a 8.5 (2) 10 1

Si p>13 kgf/cm, debern evitarse los efectos del oxgeno disuelto. Estos valores podrn modificarse segn la naturaleza del agua de alimentacin. En caso de alta concentracin de materias orgnicas no oxidables con MnO4K y si oxidables con CrO3K2, se consultara a un especialista.

35 CALDERAS ACUOTUBULARES - AGUA DE ALIMENTACION (Tomado de Generadores de Calor, Curso de Postgrado, Gestin de la Energa Trmica, CADEM, 1994) Tipos de calderas y presiones mximas de servicio, p en kgf/cm Calderas de circulacin forzada y agua de inyeccin para atemperacin de vapor Calderas de circulacin natural o asistida (1)

p20 Aspecto Visual Dureza en hf pH a 20 C O2 mg/l CO2 libre CO2 combinado como (CO3 H- + CO3=n mg/l (2) Fe, mg/l Cu, mg/l Materias orgnicas valoradas en mg/l de MnO4K consumido Aceite, mg/l Si O2, mg/l (1) (2) Transparente, sin color ni sedimentos 0.01 8 a 9.5 0.02 No detectable 1 0.02 0.005 5 0.3 0.1 8 a 9.5

20 64 kgf/cm cualquiera que sea la presin mxima de servicio. Para calderas de presin inferior a 11 kgf/cm y baja produccin, se consideraran estos valores como aconsejables. CAPACIDAD APROXIMADA EN lb/h DE TRAMPAS DE CONDENSADO

Dimetro de la trampa (pulgadas) 5 1/16 (0.6250) 3/32 (0.0937) 1/8 (0.1250) 3/16 (0.1875) 7/32 (0.2187) 1/4 (0.2500) 75 170 300 650 900 1200 10 100 225 400 950 1300 1700

Presin en psig 60 250 550 1000 2300 3100 4000 150 400 900 1600 3600 4900 6400

Nota: Tomado de Heating/Piping/Air Conditioning, nov.1982, Vol.54, No.11

36 Las caractersticas del agua en el interior de las calderas exigidas por la norma espaola UNE 9075, son las siguientes: CALDERAS DE TUBOS DE HUMO - AGUA DEL INTERIOR (Tomado de Generadores de Calor, Curso de Postgrado, Gestin de la Energa Trmica, CADEM, 1994) Presin mxima de servicio P en kgf/cm Salinidad total, en mg/l Solidos en suspensin en ppm Alcalinidad total, en mg/l pH a 20 C Fosfatos, en mg/l de P2O5 Slice, en mg/l de SiO2 (1) (1) p 11 5000 300 1000 9.5 a 11.5 15 a 40 200 11 < p 17 4000 250 800 9.5 a 11.5 15 a 30 150 p > 17 3000 200 600 9.5 a 11.5 15 a 25 100

En aquellos casos en que exista sobrecalentador se limita a 100 mg/l para p17

CALDERAS DE TUBOS DE HUMO - AGUA DEL INTERIOR (Tomado de Operadores Industriales de Calderas, Conocimientos bsicos para la obtencin del carnet de operadores de calderas, Ministerio de Industria y Energa, Espaa, 1986) Presin mxima de servicio P en kgf/cm Salinidad total, en mg/l Solidos en suspensin en mg/l Alcalinidad total, en mg/l como CO3Ca pH a 20 C Fosfatos, en mg/l de P2O5 Slice, en mg/l de SiO2 (2) (1) p 0.5 5000 300 1200 10.5 a 12.5