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Dirección de ExtensiónDepartamento de Educación Continua

Gonzalo Rodríguez Guerrero

Tel. 2148243. Bogotá

CONTROL DE LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA

Vapor de600 psia, 750°F

Salida de vapor, 100,000 lbm/h

Purga, 9 % del agua de

alimentación

Temperatura de gases560°F, contenido de oxígeno 11 %.

Agua de alimentación, 900 psig, 241°F

Combustible y aireFlujo de combustible, 19.3 gal/min

Temperatura del aire, 70°F

EFICIENCIA DE LAS CALDERAS

====

====

calderaη

caldera Eficiencia

Energía dada al vapor en la calderaEnergía del combustible a la caldera

Generalmente, la eficiencia es una expresión de la cantidad de salida deseadade un componente comparado con la entrada requerida.

La eficiencia de la caldera, ηcaldera, se define por la siguiente expresión:

En términos de las propiedades del vapor, la ecuación de eficiencia es:

caldera la a Energía

caldera la en vapor del Energía=calderaη

x ecombustibl

BFW aguavaporvaporcaldera

HHV.m

)h-(h.m

η =

EFICIENCIA DE CALDERA

(1)Definición clásica y1°ley de la termodi-námica.

Donde:

m vapor = Rata de flujo de vapor,h vapor, agua = Entalpías del vapor y del agua de alimentación,h combustible = Entalpía del combustible,m combustible = Rata de combustible a la caldera,

HHV = Poder calorífico alto del combustible.

.

.

.

.

Las mediciones para obtener los términos de la eficiencia, deben hacerse durante lapsos de operación estacionaria de generación de vapor por a-aproximadamente 1 hora. Durante este lapso, el nivel de agua dentro debeestar constante.

Debe medirse la temperatura y presión del vapor a la salida de la caldera, aligual que la presión y temperatura del agua BFW, para el contenido energéti-co del agua entrando y vapor saliendo de la caldera.

La rata y contenido de calor del combustible entrando, hacen parte de los pa-rámetros para la eficiencia y generalmente lo da un laboratorio.

GENERALIDADES PARA OBTENER LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA

Ejercicio de eficiencia de una caldera

El diagrama de la caldera, muestra una producción de 100,000 lbm/h de vapor sobrecalentado a 750°F y 600 psia.

Esta caldera, no está operando a condiciones de oper ación eficiente y óptima.

Las entalpías del agua y el vapor, (h vapor y h BFW), son sacados de tablas.

El agua de alimentación BFW, a la caldera de la bom ba de agua BFW, tieneuna presión de 900 psig y temperatura de 241°F.

El combustible es ACPM con HHV de 19,400 Btu/lb m, dato extraído de tabla y la alimentación se hace a 19.3 gal/min, valor ya calculado.

El dato de combustible, se determina usando tablas de densidad del mismo.Para el ACPM, (fuel oil No. 2), es 7.21 lbm/gal.

La rata de combustible y su masa se calcula con el siguiente cálculo:

mcombustible = Flujo de volumen de combustible x densidad del combustible

mcombustible = Vcombustible x ρcombustible.

= 8,349 lbm/h

7.21 x h

min 60

min

gal19.3

gallb

xmm

ecombustibl =

ecombustibl ecombustibl mm

mm

Btu/lb x19,400 /hlb 3498

)Btu/lb 209.66-Btu/lb (1,378.95 x lbm/h 100,000

,caldera =η

% 72.19 =ηcaldera

La eficiencia debe monitorearse frecuentemente y us arse como un “benchmark”, este método no es el único disponible, de hecho en otras instalaci ones no tienen elementos de medición para de-terminar la eficiencia.

En estos casos, la eficiencia será determinada ident ificando las magnitudes de las pérdidas indivi-duales asociadas con la generación de vapor. Esta e valuación de eficiencia se denomina el métodode pérdidas “indirecto”. La expresión usada como ef iciencia indirecta, ηindirecta , es:

[432.6] [1,169.29]

Denominador (Flujo fuel oil, (gal./min.) x 432.6

Numerador (Flujo vapor (P,T), (lb/h) x 1,169.29 =ηcaldera (P, T) =750°F, 600 psia.

MÉTODO INDIRECTO DE EFICIENCIA

OBJETO

Verificar por medio de cálculos sencillos y prácticos, la metodo-logía para determinar los diferentes valores energéticos que mane-ja una caldera a través de los distintos pasos de producción e inter-cambio de calor.

l

La expresión usada como eficiencia indirecta, ηindirecta, es:

∑λ=ηPérdidas

i - % 100 indirecta

Las pérdidas de la caldera, λi, se describen mas adelante, pero se clasifican ge-neralmente como pérdidas de chimenea, pérdidas de purga, pérdidas de carca-sas y pérdidas misceláneas. Estas se expresan como un porcentaje del total dela energía de entrada.

La eficiencia indirecta de la ecuación (1) y (2), son teóricamente idénticas.

En la práctica, los errores de medición, omisiones de pérdidas menores y con-diciones inestables, resultan en diferencias en estos dos valores.

La energía adicionada con el combustible es el denominador de la ecuación (1).

Un ejemplo de cálculo de esto sería:

(2)

Carbón BituminosoConsumo: 4,370 lb / h con13,850 Btu/lb (Base seca)

60,000 lb/h (Nominal)45,340 lb/h (Actual)

CALDERA

ANÁLISIS DE CALOR ALREDEDORDE LA CALDERA

C : 0.7757 %H2 : 0.0507 %O2 : 0.0519 %N2 : 0.0120 %S2 : 0.0270 %Ash: 0.0827 %

Humedad: 1.61 %

1.0000 w.

500°F

AGUA, BFW 181°F125 psig (139.7

psia), 400°F45,340 lb/h

CO2 : 12.8 %CO : 0.4 %O2 : 6.1 %N2 : 80.7 %100.00 vol.

Cenizas y reiduosmedidos, 9.42 % carbón

seco

Combustible en desechos32.3 % El aire ambiente del área de la

caldera es de 79°F como temperaturade bulbo seco y 71°F como bulbo húmedo

Carta

Cálculo inquemados

Poder calóricodel carbón

PÉRDIDAS EN LA CALDERA

• ENERGÍA DE ENTRADA

• ENERGÍA DE SALIDA

PÉRDIDAS

• PÉRDIDAS POR GASES DE COMBUSTIÓN

• PÉRDIDAS POR HIDRÓGENO•• PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL COMBUSTIBLE

• PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE AMBIENTE

• PÉRDIDAS POR CO

• PÉRDIDAS POR COMBUSTIBLE EN CENIZAS

• PÉRDIDAS POR RADIACIÓN

• PÉRDIDAS NO CONTROLADAS

Btu / lb combustibles % (100)

TOTAL

SALIDA ENERGÉTICA DE LA CALDERA

A) SALIDA ENERGÉTICA DE LA CALDERA

• VAPOR PRODUCIDO: 45,340 lb/ h• ENTRADA ENERGÉTICA: 4,370 lb/h13,850 Btu/lb (Base seca)

45,340 lb/ h4,370 lb/h =

10.37 lb vapor

lb carbón

SALIDA DE LA CALDERA =10.37 lb vapor

lb carbón

(hs - hw), donde hs = entalpía del vaporhw= entalpía del agua FWB

hs) Vapor de 125 psig + 14.7 psi = 139.7 psia y con 400° F, entalpía, 1,221.2 Btu/lb

hw) Agua @ 181°F 180.92 Btu/lb

SALIDA DE LA CALDERA =10.37 lb vapor

lb carbón

x (1,221.2 - 180.92) Btu/lb vapor

=10.37 lb vapor

lb carbón

x 1,040.28 Btu / lb vapor = lb carbón

10,793.2 Btu

El poder calorífico del carbón es 10,793.2 Btu/lb de carbón, en base húmeda

B) CÁLCULO DEL AIRE TEÓRICO O ESTEQUIOMÉTRICO

Para determinar el aire teórico, se requieren los d atos de caracterización del combustible:

Carbón BituminosoConsumo: 4,370 lb / h

con 13,850 Btu/lb (Base seca)

C : 0.7757 %H2 : 0.0507 %O2 : 0.0519 %N2 : 0.0120 %S2 : 0.0270 %Ash: 0.0827 %

Humedad: 1.61 %

1.0000 w.1.0000 w.

Caldera

C : 0.7757 % x H2 : 0.0507 % xO2 : 0.0519 % -N2 : 0.0120 % -S2 : 0.0270 % xAsh: 0.0827 % -

C + O2 CO2

12 lb + 16 x 2 CO2

0.7757 x x 0.7757 x 3212

= 2.0685 lb O2

Del mismo modo determinamos los demás componentes

Relación de pesomolecular

32/12 16/2

--

32/32-

ComponenteLb. de oxígeno

requerido

+ 2.0685 + 0.4056- 0.0519

Se ignora+ 0.0270

- 2.5011 lb de O 2 / lb de carbón

=

Volver cálculo de gases

C) CÁLCULO DEL PESO DE AIRE EN FUNCIÓN DEL OXÍGENO

Para determinar el peso del aire, se utiliza el pes o de cada componente, el peso del nitrogeno y del oxígeno:

O2 : 23.2 %

N2 : 76.8 %

0.7680.232

x 2.5011 = 8.279 lb de N 2

2.5011 lb de O 2 / lb de carbón

Peso del airelb de carbón = 8.279 lb de N 2 + 2.5011 lb de O 2

= 10.78 lb de aire / lb de carbón

Cálculo de gases (Verificación)

CO2 : 12.8 %CO : 0.4 %O2 : 6.1 %N2 : 80.7 %1.0000 vol.

Exceso de aire en gases de combustión = 100 x(O2 - ½ CO)

0.264 N2 - (O2 - ½ CO)

D) CÁLCULO DEL EXCESO DE AIRE EN GASES DE COMBUSTIÓN

Exceso de aire en gases = 100 x(6.1 - ½ 0.4)

0.264 x 80.7 - (6.1- ½ 0.4)

= 100 x(6.1 - 0.2)

0.264 x 80.7 - (6.1- 0.2)

= 100 x 5.921.3 - 5.9

= 100 x 0.383

= 38.3 % de exceso de aire en losgases de combustión

E) CÁLCULO DEL AIRE CON EXCESO

Peso del airelb de carbón = 10.78 lb de aire / lb de carbón

Exceso de aire en gases = 38.3 % de exceso de aire en losgases de combustión

Peso del exceso de airelb de carbón

= 10.78 x 0.383

4.128 lb. =

AIRE TOTAL = 10.78 lb de aire / lb de carbón + 4.12 8 lb de aire/lb carbón

= 14.91 lb de aire/lb carbón

F) CÁLCULO DE LOS GASES EN BASE SECA

Para determinar la cantidad de gases de la combusti ón, se obtiene con la can-tidad de cada componente combustible, más el oxígen o necesario para com-bustión de cada elemento, como componente en los ga ses de chimenea, asi:

C : 0.7757 H2 : 0.0507 N2 Combustible : 0.0120 S2 : 0.0270N2 Combustión :

2.0685 0.4056

0.0270

Componentecombustible

Oxígeno necesario+

Componente en gases de chimeneaCO2, SO2, H2O y NO2

=

2.8444 0.45630.01200.05408.2790

0.7680.232

x 2.5011 = 8.279 lb de N 2

11.645

Los gases en base seca, se determinan sin el agua = 11.645 - 0.4563

= 11.189 lb de gases / lb de carbón

Total gases en base seca (mas el exceso de aire) = 11.189 lb de gases + 4.128

= 15.31 lb gases/ lb de carbón

C : 0.7757 %H2 : 0.0507 %O2 : 0.0519 %N2 : 0.0120 %S2 : 0.0270 %Ash: 0.0827 %

Humedad: 1.61 %

Verificación

(Anterior)

G) CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN

Para la determinación de las pérdidas en los gases de la combustión, se tienen en cuenta, las temperaturas de entrada del aire de combustión y la de los gasesde chimenea, en base seca:

PÉRDIDAS DE LOS GASES EN BASE SECA = 0.24 W gases x (Tg - Ta)

PÉRDIDAS DE LOS GASES EN BASE SECA = 0.24 x 15.31 x (500 - 79)°F

Total gases en base seca (mas exceso de aire) = 11. 189 lb de gases + 4.128

= 15.31 lb gases/ lb de carbón

PÉRDIDAS DE LOS GASES EN BASE SECA = 0.24 x 15.31 x 421

= 1,580.0 Btu / lb de carbón

H) DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS DEBIDO AL HIDRÓGENOPOR EVAPORACIÓN DE AGUA

El hidrógeno presente en el combustible, produce ag ua por la combustiónque representan pérdidas para la combustión. Se det ermina mediante la fórmula:

PÉRDIDAS POR EVAPORACIÓN DEL AGUA (HIDRÓGENO) = 9 H (1,089 - Tf + 0.46 Tg)

H: Hidrógeno en el combustible (%)

Tf: Temperatura del combustible antes de la combustió n, °FTg: Temperatura de gases de salida, °F

PÉRDIDAS POR EVAPORACIÓN = 9 H (1,089 - 79 + 0.46 x 500)

= 9 x 0.0507 (1,010 + 230)

= 9 x 0.0507 x 1,240

PÉRDIDAS DE HIDROGENO POR EVAPORACIÓN DE AGUA= 565. 81 Btu/lb carbón

I) PÉRDIDAS POR EVAPORACIÓN DEL AGUADEBIDO A LA HUMEDAD DEL COMBUSTIBLE

Además del agua que produce el hidrógeno en los gas es de combustión,se produce agua también por la humedad del combusti ble.

Se determina mediante la fórmula:

PÉRDIDAS DE EVAPORACIÓN DE HUMEDAD (EN COMBUSTIBLE) = Whumedad (1,089 - Tf + 0.46 Tg)

Whumedad : lb de humedad / libra de combustible

Whumedad =lb de humedad

libra de combustible= 1.61 %

= 1.61

100 - 1.61= 1.61

98.39

= 0.01636 1.64 %

PÉRDIDAS POR HUMEDAD (COMBUSTIBLE) = 1.64 / 100 x ( 1,089 - 79 + 0.46 x 500°F)

= 0.0164 x 1,240

PÉRDIDAS POR HUMEDAD (COMBUSTIBLE)= 20.29 Btu/lb ca rbón

C : 0.7757 %H2 : 0.0507 %O2 : 0.0519 %N2 : 0.0120 %S2 : 0.0270 %Ash: 0.0827 %

Humedad: 1.61 %

J) CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE DE CO MBUSTIÓN

PÉRDIDAS POR HUMEDAD DEL AIRE DE COMBUSTIÓN = 0.46 WHA (Tg - Ta)

WHA = lb de H 2Olb de aire

Temperatura de bulbo seco = 79°FTemperatura de bulbo húmedo = 71°F

Temperatura de bulbo húmedo

Humedad relativa

Temperatura de bulbo seco

71°F

Humedad relativa obtenida

68%

CARTA PSICROMÉTRICA

lb de H 2Olb de aire

0.014

Masa del aire de combustión = Masa de aire teórico + masa de aire de exceso= 10.78 + 4.128 = 14.91 lb aire / lb de carbón

79°F

WHA = lb humedad x14.91 lb aire seco

lb de carbón 0.014

lb de aire seco=

0.209 lb humedadlb carbón

Aire teoríco

68%

PÉRDIDAS POR HUMEDAD DEL AIRE DE COMBUSTIÓN = 0.46 WHA (Tg - Ta)

PÉRDIDAS HUMEDAD AIRE COMBUSTIÓN = 0.46 x 0.209 lb humedad

(lb de carbón) x (500 - 79)

PÉRDIDAS HUMEDAD AIRE COMBUSTIÓN = 40.47 Btu

lb de carbón

PÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA DE LA REACIÓN = CO

(CO + CO2)C x 10,190

C = lb de carbono / lb de carbón

PÉRDIDAS INCOMPLETAS = 0.4(0.4 + 12.8)

x 0.7757 x 10,190

= 239.5 Btu / lb de carbón

CO(CO + CO2)

% VOLUMEN

K) CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA- CO

CO2 : 12.8 %CO : 0.4 %O2 : 6.1 %N2 : 80.7 %1.0000 vol.

C : 0.7757 %H2 : 0.0507 %O2 : 0.0519 %N2 : 0.0120 %S2 : 0.0270 %Ash: 0.0827 %

Humedad: 1.61 %

0.030 x 7,904.38

DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR CARBÓN NO QUEMADO EN LOS RESIDUOS

PÉRDIDAS POR INQUEMADOS = W inquemados x 14,150 Btu / lb de carbón

Datos dados

• Carbón en inquemados = 32.3 %• Total residuos no-quemados = 9.42 %

PÉRDIDAS POR INQUEMADOS = 0.030 x 14,150 Btu / lb d e carbón

= 430.5 Btu / lb

Carbón no quemado = (32.3/100) x (9.42 /100) = 0.03 0

Enunciado

PÉRDIDAS POR RADIACIÓN DEL HORNO

PÉRDIDAS POR RADIACIÓN = 1.09 % DEL CALOR BRUTO DE ENTRADA

PÉRDIDAS POR RADIACIÓN = (1.09 x Calor bruto de e ntrada / 100) == 1.09 x 13,850 Btu/lb de carbón

= 150.96 Btu / lb de carbón

Poder calorífico del carbón

American Boiler and Affiliate Industries, ABAI

RESUMEN DE PÉRDIDAS EN LA CALDERA

• ENERGÍA DE ENTRADA 13,850.0 100.00

• ENERGÍA DE SALIDA 10,793.2 77.92

PÉRDIDAS

• PÉRDIDAS POR GASES DE COMBUSTIÓN 1,580.00 11.40

• PÉRDIDAS POR HIDRÓGENO 565.81 4.08

• PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL COMBUSTIBLE 20.29 0.14

• PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE AMBIENTE 40.47 0.30

• PÉRDIDAS POR CO 239.50 1.80

• PÉRDIDAS POR COMBUSTIBLE EN CENIZAS 430.50 3.08

• PÉRDIDAS POR RADIACIÓN 150.96 1.08

• PÉRDIDAS NO CONTROLADAS 29.27 0.20

Btu / lb carbón % (100)

TOTAL 13,850.00 100.00

22.08

ENRIQUECIMIENTO CON OXÍGENO

. . .%

O2 en

pro

ductos

de co

mbust

ión

% E

xces

o de

aire

10.84 %

7.31 %

4.43 %100 %

50 %

25 %

North American Combustion Handbook

Tota

l O2

en

aire

de

com

bust

ión

40 %

30 %

25 %

ACPM (Fuel Oil # 2)

FUEL OIL (Fuel Oil # 6), 0% exceso de aire

GAS NATURAL 1002 Btu/pie 3, 0% de exceso de aire

20.9 %

0 %

0 %

600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000 2,200 2,400 2,600 2,800 3,000 3,200 3,400 3,600 3,800 4,000

Temperatura de los gases de la combustión

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

% Calor Disponible

• En la práctica se enriquece el aire de combustión c on O2 desde 21 lo normal, hasta 25 a 30%• Debe manejarse con mucha seguridad, ya que se incre menta la velocidad de la llama y la inflamabilidad• Se introduce al quemador en premezcla con el aire d e combustión

North American Combustion Handbook

EFECTO DE ENRIQUECIMIENTO CON O2 SOBRE LÍMITESDE INFLAMABILIDAD Y VELOCIDAD DE LA LLAMA

METANO

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

020 30 40 50 60 70 80 90 100

% de Oxígeno

Límite inferior de inflamabilidad

Límite

superior

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

% d

e co

mbu

stib

le e

n la

mez

cla

.

.

.

.

.

.

Vel

ocid

ad d

e pr

opag

ació

n de

la

llam

a es

tequ

iom

étric

a, p

ies/

seg.

Velo

cida

d de

la ll

ama

de inflamabilidad

CONTROL DE PÉRDIDAS EN LA CALDERA

• PÉRDIDAS - GASES DE COMBUSTIÓN 9.0• PÉRDIDAS - HIDRÓGENO 3.0• PÉRDIDAS - HUMEDAD AIRE Y COMBUSTIBLE 0.5• PÉRDIDAS POR COMBUSTIBLE EN CENIZAS 1.5• PÉRDIDAS POR CO Trazas• PÉRDIDAS POR RADIACIÓN 1.0

• ENERGÍA DE ENTRADA 13,850.0 100.00

• ENERGÍA DE SALIDA 10,793.2 77.92

PÉRDIDAS

• PÉRDIDAS POR GASES DE COMBUSTIÓN 1,580.00 11.40

• PÉRDIDAS POR HIDRÓGENO 565.81 4.08

• PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL COMBUSTIBLE 20.29 0. 14

• PÉRDIDAS POR HUMEDAD EN EL AIRE AMBIENTE 41.50 0. 30

• PÉRDIDAS POR CO 239.50 1.80

• PÉRDIDAS POR COMBUSTIBLE EN CENIZAS 430.50 3.08

• PÉRDIDAS POR RADIACIÓN 150.96 1.08

• PÉRDIDAS NO CONTROLADAS 28.24 0.20

LO PRÁCTICO

(LOGÍSTICA DE COMPRA COMB.)

(OPERACIÓN)

(OPERACIÓN)

(OPERACIÓN Y COMPRA)

(LOGÍSTICA COMPRA COMB.)