Balance térmico de una caldera de vapor

Tecnología Energética 1

Balance térmico de una caldera de vapor

Manuel Celso Juárez Castelló

Tecnología Energética2

Calores� Calores entrantes:

� Combustión� Calor sensible del combustible� Calor sensible del comburente (aire)� Calor sensible del agua de alimentación

� Calores salientes:� Calor de los gases húmedos de la combustión� Calor de inquemados� Radiación y convección� Purgas� Calor Útil


Kg/h14.000Retorno de condensados

Kg/h36.188Caudal de humos de la combustión

Kcal/kg665,6Entalpía del vaporIB4Índice de Bacharach

Kg/h22.115Producción de vaporºC296Temperatura de humos

Kcal/kg193,6Entalpía agua de purga

p.p.m.1.350Porcentaje de CO

Kg/h3.200Caudal de purga%10,94Porcentaje de CO2

ºC59Temperatura agua alimentación

%7Porcentaje de O2

Kp/cm212Presión de servicio%48Exceso de aire

ºC15Temperatura ambiente

ºC15Temperatura aire

Kcal/h m2 ºC0,025Coeficiente medio de transmisión total

Kg/h34.412Caudal aire

ºC31Temperatura superficial

ºC80Temperatura Combustible

m2260Superficie total de radiación

Kcal/kg9.600(PCI)h

Kcal/kg ºC0,243Calor específico medio de los humos

Kg/h1.767Consumo de fuel-oil

UnidadDatosConceptoUnidadDatosConcepto

Datos


Q1 = Calor de combustión

Q2 = Calor sensible del combustible

Q3 = Calor sensible del comburente (aire)

Q4 = Calor sensible del agua de alimentación

Q5 = Calor de gases de combustión

Q6 = Calor de inquemados

Q7 = Calor de radiación + convección

Q10 = Otros calores

Q1 = F (kg/h) (PCI)h (kcal/kg)

Q2 = F c (kcal/kg ºC) (tc -tb)

Q3 = F Ga (kg/kg comb) Ca (kcal/kg ºC) (ta - tb)

Q4 = Ma (kg/h) ha (kcal/kg)

Q8 = P (kg/h) hp (kcal/kg)

Q7 = h S (tp - tb) + 4,8 . 10-8 e S (Tp4 - Tb4)

Q8 = Calor de purgas

Q5 = F Gf (kg/kg comb) Cg (kcal/kg ºC) (tg -tb)

QO

CO CH OP F PCI h6

2

21

21 3100 1000 65 100=

−+ +

( )

( ) ( ) ( ) ( )

Q9 = Calor útil

Q9 = W (kg/h) hv (kcal/kg)

CALDERA

Balance Térmico

EW hv ha

F PCI h=

−( )

( )Rendimiento (Eficiencia)

Balance Térmico


Calor de los gases de combustiónQ5 = F . Gt (kg/kg combust.) . Cg . (tg – tb)Q5 = 1.767 . 20,48 . 0,25 . (296 – 15) = 2.542.218 kcal/hCalor inquemados

= 627.638 kcak/h

Calor de radiaciónQ7 = 4,8 . 10-8 . e . S . (Tc4 - Tb4)Q7 = 4,8 . 10-8 . 0,09 . 260 . (3044 - 2884) = 328 kcal/hCalor de purgasQ8 = P (kg/h) . hp (kcal/kg) = 3.200 . 193,6 = 619.520 kcal/hCalor útilQ9 = W ( kg/h) . hp (kcal/kg) Q9 = 22.115 . 665,6 = 14.719.744 kcal/hOtros caloresQ10 = 4.765 kcal/h

∑∑∑∑ QS = 18.514.213 kcal/h

Calor del combustibleQ1 = F (kg/h) . (PCI)h (kcak/kg)Q1 = 1.767 . 9.600 = 16.963.200 kcal/h

Calor sensible del combustibleQ2 = F . Ca (kcal/kg ºC) . (tc – tb)=Q2 = 1.767 . 0,5 . (80 – 15) = 57.428 kcal/h

Calor sensible del comburente (aire)Q3 = F . Ga (kg aire/kg combust.) . Ca . (ta – tb)Q3 = 1.767 . 19,48 . 0,24 . (15 – 15) = 0

Calor agua de alimentaciónQ4 = Ma (kg/h de agua) . ha (kcak/kg)Q4 = 25.315 . 59 = 1.493.585 kcal/h

∑∑∑∑ QE = 18.514.213 kcal/h

Calores salientesCalores entrantes

QO

CO CH OP F PCI h6

21

21 3100 1000 65 1002

=−

+ +

( )

( ) ( ) ( ) ( )

Q621

21 7

1350

3100

1350

1000

44

65

1767 9600

100=

−+ +

Cálculo de calores


Propuestas de ahorro

� Aumentar la temperatura del aire (precalentamiento del comburente)

� Reducir el caudal de purga� Ajustar el quemador� Aumentar la temperatura del combustible� Precalentar el agua de alimentación


Precalentamiento del aire. Efectos

� Disminución del caudal de combustible� Disminución del caudal de aire� Disminución del caudal de gases� Aumento de la temperatura de humos� Aumento del rendimiento de la caldera


2.475.080 kcal/h610.600 kcal/h

328 kcal/h619.520 kcal/h

14.719.744 kcal/h-2.587 kcal/h

∑QS = 18.422.685 kcal/h

E = 81 %

Q5 = 1.439 . F’ = 20,48 . F’ . 0,25 . (296 –15)Q6 = 3,6975 . F’ . 9.600/100 = 355 F’Q7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10∑QS = 15.339.592 + 1.794 F’

∑QE = ∑QS ⇒ F’ = 1.720 kg/h

Q5 = 2.542.713 kcal/hQ6 = 627.285 kcal/hQ7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10 = 4.623 kcal/h∑QE = 18.514.213 kcal/h

F = 1.767 kg/hE = 79 %

Calores salientes

16.512.000 kcal/h55.900 kcal/h361.200 kcal/h

1.493.585 kcal/h

∑QE = 18.422.685 kcal/h

Q1 = 9.600 . F’Q2 = F’ . 0,5 . (80 – 15) = 32,5 F’Q3 = 19,48 . F’ . 0,24 . (60 – 15) = 210 F’Q4 = 1.493.585 kcal/h

∑QE = 1.493.585 + 9.842,5 . F’

Q1 = 16.963.200 kcal/hQ2 = 57.428 kcal/hQ3 = 0Q4 = 1.493.585 kcal/h

∑QE =18.514.213 kcal/h

Calores entrantes

1.720 kg/h33.506 kg/h35.266 kg/h

ta’ = 60 ºCF’19,48 F’20,48 F’

ta = 15 ºCFlujo de combustible = 1.767 kg/hFlujo de aire = 34.421 kg/hFlujo de humos = 36.188 kg/h

Posterior a la mejoraActual

Precalentamiento del aire


Precalentamiento del aire. Resultados� Ahorro de 47 kg/h de combustible� Disminución del caudal de aire: 33.506 frente a 34.421 kg/h

� Disminución del caudal de humos: 35.226 frente a 36.188 kg/h

� Aumento del rendimiento: 81 % frente al 79 %� Nota: Se ha mantenido constante la relación aire/combustible


Reducción del caudal de purga. Efectos

� Disminución del caudal de combustible� Disminución del caudal de aire� Disminución del caudal de gases� Disminución de la temperatura de humos� Aumento del rendimiento de la caldera


2.319.113 kcal/h610.600 kcal/h


14.719.744 kcal/h3.342 kcal/h

∑QS = 17.818.235 kcal/h

E = 81,7 %

Q5 = 20,48 . F’ . 0,25 . (280 –15) = 1.357 . F’Q6 = 3,6975 . F’ . 9.600/100 = 355 F’Q7 = 328 kcal/hQ8 = 873 . 193,6 = 169.013 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10∑QS = 14.889.085 + 1.712 F’

∑QE = ∑QS ⇒ F’ = 1.709 kg/h


F = 1.767 kg/h E = 79 %

Calores salientes

16.406.400 kcal/h55.534 kcal/h

0 kcal/h1.356.292 kcal/h

∑QE =17.818.235 kcal/h

Q1 = 9.600 . F’Q2 = F’ . 0,5 . (80 – 15) = 32,5 F’Q3 = 0Q4 = 22.988 . 59 = 1.356.292 kcal/h∑QE = 1.356.292 + 9.632,5 . F’

Q1 = 16.963.200 kcal/hQ2 = 57.428 kcal/hQ3 = 0Q4 = 1.493.585 kcal/h∑QE =18.514.213 kcal/h

Calores entrantes

1.709 kg/h33.291 kg/h35.000 kg/h

P = 873 kg/hMa = 25.315 – 3.200 + 873 = 22.988 kg/hF’19,48 F’20,48 F’280 ºC

P = 3.200 kg/hFlujo de agua = 25.315 kg/hFlujo de combustible = 1.767 kg/hFlujo de aire = 34.421 kg/hFlujo de humos = 36.188 kg/hTemperatura de humos = 296 ºC


Reducción del caudal de purga


Reducción del caudal de purga. Resultados� Ahorro de 58 kg/h de combustible� Disminución del caudal de aire: 33.291 frente a 34.421 kg/h


� Aumento del rendimiento: 81,7 % frente al 79 %� Nota: Se ha mantenido constante la relación aire/combustible


Ajuste del quemador. Efectos� Disminución del caudal de combustible� Disminución del caudal de aire� Disminución del caudal de gases� Disminución de la opacidad y de los porcentajes de CO y O2 en los humos

� Aumenta el porcentaje de CO2 en los humos� Disminución de la temperatura de humos� Aumento del rendimiento de la caldera


1.791.427 kcal/h

154.744 kcal/h


14.719.744 kcal/h-4.510 kcal/h

∑QS = 17.281.253 kcal/hE = 85 %

Q5 = 17,14 . F’ . 0,25 . (270 –15) = 1.093 . F’

= 355 F’

Q7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10∑QS = 15.339.592 + 1.185 F’

∑QE = ∑QS ⇒ F’ = 1.639 kg/h

Q5 = 2.542.713 kcal/h

Q6 = 627.285 kcal/h

Q7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10 = 4.623 kcal/h∑QE = 18.514.213 kcal/h

F = 1.767 kg/h E = 79 %

Calores salientes

15.734.427 kcal/h53.268 kcal/h


∑QE = 17.281.253 kcal/h

Q1 = 9.600 . F’Q2 = F’ . 0,5 . (80 – 15) = 32,5 F’Q3 = 0Q4 = 1.493.585 kcal/h∑QE = 1.493.585 + 9.632,5 . F’

Q1 = 16.963.200 kcal/hQ2 = 57.428 kcal/hQ3 = 0Q4 = 1.493.585 kcal/h∑QE = 18.514.213 kcal/h

Calores entrantes

1.693 kg/h26.453 kg/h28.092 kg/h

F’16,14 F’17,14 F’270 ºC41.2213.304150

Flujo de combustible = 1.767 kg/hFlujo de aire = 34.421 kg/hFlujo de humos = 36.188 kg/hTemperatura de humos = 296 ºCOpacidad = 4Coef. Exceso de aire: m = 1,48CO2 = 10,94 %O2 = 7 %CO = 1.350 p.p.m.

Posterior a la mejoraActualAjuste del quemador

QF

621

21 4

150

3100

150

1000

44

65

9600

100=

−+ +

'


Ajuste del quemador. Resultados� Importante ahorro de 128 kg/h de combustible

� Disminución del caudal de aire: 26.435 frente a 34.421 kg/h

� Importante disminución del caudal de humos: 28.092 frente a 36.188 kg/h

� Notable aumento del rendimiento: 85 % frente al 79 %� Nota: Se ha mantenido constante la relación aire/combustible


Aumento de la temperatura del combustible. Efectos� Disminución del caudal de combustible� Disminución del caudal de aire� Disminución del caudal de gases� Disminución de la opacidad y de los porcentajes de CO y O2 en los humos

� Aumenta el porcentaje de CO2 en los humos� Disminución de la temperatura de humos� Aumento del rendimiento de la caldera


2.044.856 kcal/h

244.112 kcal/h


14.719.744 kcal/h4005 kcal/h

∑QS = 17.632.565 kcal/hE = 83,5 %

Q5 = 18,12 . F’ . 0,25 . (285 –15) = 1.223 . F’

= 146 F’

Q7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10∑QS = 15.339.592 + 1.369 F’

∑QE = ∑QS ⇒ F’ = 1.672 kg/h

Q5 = 2.542.713 kcal/h

Q6 = 627.285 kcal/h

Q7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10 = 4.623 kcal/h∑QE = 18.514.213 kcal/h

F = 1.767 kg/h E = 79 %

Calores salientes

16.051.200 kcal/h87.780 kcal/h


∑QE = 17.632.565 kcal/h

Q1 = 9.600 . F’Q2 = F’ . 0,5 . (1200 – 15) = 52,5 F’Q3 = 0Q4 = 1.493.585 kcal/h∑QE = 1.493.585 + 9.652,5 . F’

Q1 = 16.963.200 kcal/hQ2 = 57.428 kcal/hQ3 = 0Q4 = 1.493.585 kcal/h∑QE = 18.514.213 kcal/h

Calores entrantes

1.672 kg/h28.625 kg/h30.297 kg/h

120 ºCF’17,12 F’18,12 F’285 ºC35500

Temperatura combustible = 80 ºCFlujo de combustible = 1.767 kg/hFlujo de aire = 34.421 kg/hFlujo de humos = 36.188 kg/hTemperatura de humos = 296 ºCOpacidad = 4O2 = 7 %CO = 1.350 p.p.m.


Aumento temperatura combustible

QF

621

21 5

500

3100

500

1000

33

65

9600

100=

−+ +

'


Ajuste del quemador. Resultados� Importante ahorro de 95 kg/h de combustible


� Importante disminución del caudal de humos: 30.297 frente a 36.188 kg/h

� Notable aumento del rendimiento: 83,5 % frente al 79 %� Nota: Se ha mantenido constante la relación aire/combustible


Precalentamiento del agua de alimentación (sin economizador). Efectos



2.091.520 kcal/h580.070 kcal/h


14.719.744 kcal/h6.673 kcal/h

∑QS = 18.017.855 kcal/h

E = 82 %

Q5 = 20,48 . F’ . 0,25 . (265 –15) = 1.280 . F’Q6 = 3,6975 . F’ . 9.600/100 = 355 F’Q7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10∑QS = 15.339.592 + 1.635 F’

∑QE = ∑QS ⇒ F’ = 1.634 kg/h


F = 1.767 kg/h; E = 79 %

Calores salientes

16.512.000 kcal/h55.900 kcal/h361.200 kcal/h

2.278.350 kcal/h

∑QE = 18.017.855 kcal/h

Q1 = 9.600 . F’Q2 = F’ . 0,5 . (80 – 15) = 32,5 F’Q3 = 0Q4 = Ma . ha = 25.315 . 90 = 2.278.350 kcal/h

∑QE = 2.278.350 + 9.632,5 . F’


∑QE = 18.514.213 kcal/h

Calores entrantes

1.720 kg/h33.506 kg/h35.266 kg/h

90 ºCF’19,48 F’20,48 F’265 ºC

Temperatura agua = 59 ºCFlujo de combustible = 1.767 kg/hFlujo de aire = 34.421 kg/hFlujo de humos = 36.188 kg/hTemperatura de humos = 296 ºC


Precalentamiento del agua(sin economizador)


� Importante ahorro de 133 kg/h de combustible



� Aumento del rendimiento: 82 % frente al 79 %� Nota: Se ha mantenido constante la relación aire/combustible

Precalentamiento del agua de alimentación (sin economizador). Resultados


Precalentamiento del agua mediante economizador. Efectos



1.387.490 kcal/h582.910 kcal/h


14.719.744 kcal/h158 kcal/h

∑QS = 17.310.150 kcal/h

E = 85 %

Q5 = 20,48 . F’ . 0,25 . (180 –15) = 845 . F’Q6 = 3,6975 . F’ . 9.600/100 = 355 F’Q7 = 328 kcal/hQ8 = 619.520 kcal/hQ9 = 14.719.744 kcal/hQ10∑QS = 15.339.592 + 1.200 F’

∑QE = ∑QS ⇒ F’ = 1.642 kg/h


F = 1.767 kg/h; E = 79 %

Calores salientes

16.512.000 kcal/h53.365 kcal/h


∑QE = 17.310.150 kcal/h

Q1 = 9.600 . F’Q2 = F’ . 0,5 . (80 – 15) = 32,5 F’Q3 = 0Q4 = 1.493.585 kcal/h

∑QE = 1.493.585 + 9.632,5 . F’


∑QE = 18.514.213 kcal/h

Calores entrantes

1.720 kg/h33.506 kg/h35.266 kg/h

95 ºC 180 ºCF’19,48 F’20,48 F’

Temperatura agua = 59 ºCTemperatura de humos = 296 ºCFlujo de combustible = 1.767 kg/hFlujo de aire = 34.421 kg/hFlujo de humos = 36.188 kg/h


Instalación de un economizador


� Importante ahorro de 125 kg/h de combustible



� Notable aumento del rendimiento: 85 % frente al 79 %� Nota: Se ha mantenido constante la relación aire/combustible

Precalentamiento del agua mediante economizador. Resultados


� Precalentar el aire: del 79 al 81 %� Reducir el caudal de fugas:del 79 al 81,7 %� Ajustar el quemador: del 79 al 85 %� Precalentar el combustible: del 79 al 83,5 %� Precalentar el agua: del 79 al 82 %� Instalar un economizador: del 79 al 85 %

Resumen de mejoras en el rendimiento por cada actuación aislada

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