Calderas

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CALDERAS

INDICE
CALDERAS
1.- CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
2.- BALANCE DE ENERGÍA EN UNA CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
2.1.- Balance energético en una caldera de vapor de gas natural . . . . .7
3. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
3.1.- Cálculo de rendimiento en una caldera (método directo) . . . . . .11
3.2.- Cálculo del rendimiento de una caldera (método indirecto) . . . .12
4.- MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

CALDERAS
La caldera es un equipo donde se transfiere la energía obtenida en la combustión
de un combustible a un fluido de trabajo.
1. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS
Las calderas pueden clasificarse atendiendo a varios criterios:
Atendiendo a las necesidades energéticas del proceso:
- Calderas de agua caliente
- Calderas de agua sobrecalentada
- Calderas de vapor saturado
- Calderas de vapor sobrecalentado
- Calderas de fluido térmico
Atendiendo a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de
combustión:
- Calderas Pirotubulares: Los humos calientes circulan por el interior de los
tubos sumergidos en el fluido.
- Calderas Acuotubulares: El fluido circula por el interior de los tubos
sumergidos en una masa de humos.
2. BALANCE DE ENERGÍA EN UNA CALDERA
En el balance de calor de una caldera se estable la siguiente igualdad:
CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE
Para realizar el balance deberemos:
- Establecer una temperatura de referencia (normalmente la temperatura
ambiente)
- Realizar un balance de masa
3
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Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
- Considerar el PCI del combustible
A continuación se describen los calores que toman parte en el balance de una
caldera de vapor. Los cálculos se refieren a la unidad de combustible:
Calor entrante
1. Calor sensible del combustible (Qc)
Donde:
Qc = cc · tc [1]
cc = Calor específico del combustible [kcal/Ud. de combustible]
Tc = Temperatura de precalentamiento del combustible [ºC]
2. Calor de combustión (Qco)
Qco = PCI [kcal/Ud. de combustible]
3. Calor del aire de combustión (Qa)
Donde:
Qa = Ga · cpa · Δ t [2]
Δ t = Diferencia de de temperaturas del aire del aire de entrada caliente a la y caldera frío [ºC] y de referencia (ºC)
cpa = Calor específico del aire [kcal/kg aire ºC] Se obtiene en la
Tabla 23
Tc
Ga = [kg aire/ Ud. de combustible] Se obtiene de las Tablas de 1 a 5
4. Calor del fluido de entrada (Qfe)
QQfe fe = = hhfe fe x Ca b
Donde
hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg]
Ca = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h)
b = consumo horario de combustible
4

Calor saliente
1. Calor del fluido de salida (Qfs)
QQfs fe = = hfs x P
hfs
v
b
Donde
hfs = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg)
hfs = Entalpía del fluido de salida [kcal/kg]
Pv = Producción de vapor (kg / h)
b= consumo horario de combustible
2. Calor de los humos (QH)
Qgc = x [kg. humos/Ud. de combustible] · y [kcal/kg humos] [3]
El calor de los gases de combustión se muestra en las Tablas 11 y 12. Con el %
de O2 y CO2 se obtiene el caudal de humos (x) expresado en kg de humos/Ud.
de combustible. Con la temperatura de los humos, y en las mismas tablas, se
encuentra la entalpía específica de los humos (y) en kcal/kg humos.
3. Calor por inquemados gaseosos (Qig)
Qig =
[ CO]
[ CH]
⎞
+ ⎟⎠
21 ⎛
⎜
21−
[ O ] ⎝ 3.
100 1.
000
2
Donde:
[O2] = Concentración de O2 en los humos (%)
[CO] = Concentración de CO en los humos (ppm)
[CH] = Concentración de CH en los humos (ppm)
4. Inquemados sólidos (Qis)
5
[% de pérdidas sobre el
Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach
PCI del combustible] [4]
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
5. 1. Calor por purgas (Qp)
[5]
p· hp
Qp = b
Donde:
p = Caudal de purgas en kg/h.
[kcal/unidad de combustible]
hp = Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía
de líquido para la presión de generación de vapor.
b = Consumo horario de combustible .
Para calcular la purga continua necesaria en una caldera hay que realizar un
balance de los distintos componentes a controlar.
Donde:
P · a = A · b + P · b
A·
b
P =
a − b
6
[kg/h]
P = Caudal de purga [kg/h]
a = Salinidad total en la caldera [ppm]. Se obtiene mira en de
las tablas que se
presentan a continuación.
b = Salinidad total en el agua de aportación [ppm]. Se mide con el
conductímetro.
A = Caudal de agua de aportación [kg/h] que es el caudal del vapor menos
el caudal de condensados que se recuperan.
CALDERAS
ACUOTUBULARES
PRESION
[kg/cm 2 ]
SALINIDAD
TOTAL EN
CO3Ca [mg/l]
SILICE
EN
SiO2 [mg/l]
SOLIDOS EN
SUSPENSION
[mg/l]
[5]
CLORUROS
EN
Cl [mg/l]
0-20 3.500 100 300 2.000
20-30 3.000 75 250 1.500
30-40 2.500 50 150 1.000
40-50 2.000 40 100 800
50-60 1.500 30 60 650
60-70 1.250 25 40 500
70-100 1.000 15 20 350
Norma UNE-9075 para calderas acuotubulares

6. Calor por radiación (Q r)
El calor perdido por radiación se calcula midiendo la temperatura y la superficie
de la caldera, distinguiendo paredes verticales y horizontales hacia arriba
y hacia abajo.
En la Tabla 30 del Anexo se indican las pérdidas expresadas en W/m2 (si multiplicamos
por 0,86 las obtendremos en kcal/h m2 ).
Al multiplicar por cada superficie se obtienen las pérdidas kcal/h.
Si b es el consumo horario de combustible, las pérdidas por radiación se
obtendrán de la forma siguiente:
Qr =
CALDERAS
PRESION
[kg/cm 2 ]
p
SALINIDAD
TOTAL EN
CO3Ca [mg/l]
También puede emplearse la Tabla 31 para calcular las pérdidas por radiación
en función de la producción máxima del vapor y el índice de carga.
Ejemplo: Balance energético en una caldera de vapor de gas natural
Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.500 h/año produce 20 t/h
de vapor a 20 kg/cm2 y consume 13.000.000 Nm3 /año. La capacidad máxima de
caldera es de 25 t/h. Se realiza una purga continua cuyo caudal es de 1.200
kg/h.
El análisis de la combustión revela los siguientes resultados:
O2 = 2%
CO2 = 11%
CO = 500 ppm
THUMOS = 230 ºC
7
SILICE
EN
SiO2 [mg/l]
SOLIDOS EN
SUSPENSION
[mg/l]
CLORUROS
EN
Cl [mg/l]
0-15 7.000 100 300 3.000
PIROTUBULARES 15-25 4.500 75 300 2.000
Kcal / h
b
Norma UNE-9075 para calderas pirotubulares
[kcal/unidad de combustible] [6]
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MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Se toma como referencia la temperatura ambiente de 20 ºC.
· Calor entrante:
Se consideran una fuente de calor entrante o calor aportado.
- Calor de combustión, Qco Q co = PCI = 9.000 kcal/Nm 3
De modo que el calor entrante o aportado es:
= 9.000 kcal/Nm3 Q entra
· Calor saliente
Parte del calor aportado será empleado en la generación del vapor y otra
parte se perderá. Se consideran cuatro puntos de pérdida de calor.
- Calor de los humos, QH De la Tabla 12 se obtiene: 15,5 kg/Nm 3
62 kcal/kg
Por lo que, aplicando [3]:
QH = 15,5 kg/Nm3 · 62 kcal/kg = 961 kcal/Nm3 - Calor por inquemados
Se obtiene de la fórmula [4] y se considera [CO] = [CH]
Qig =
500 500
21
21
2 3.
100 1.
000
8

Qig = 0,73% de 9.000 kcal/Nm 3 = 65,7 kcal/Nm 3
- Calor por purgas, Q p
De la Tabla 16 se obtiene la entalpía de la purga correspondiente a 20 kg/cm 2
h p = 215,9 kcal/kg
Qp =
1.
200 kg / h ⋅ 7.
500 h / año ⋅ 215,
9 kcal / kg
- Calor por radiación, Q r
13.
000.
000
Nm
3
/ año
El índice de carga de la caldera es 20/25 = 0,8. De la Tabla 31 se obtiene que
las pérdidas por radiación son del orden de 2,4% del calor aportado, por lo que:
Qr = 0,024 · 9.000 = 216 kcal/Nm3 9
= 149,6 kcal/Nm 3
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SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
El balance queda de la siguiente forma:
3. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA
El rendimiento de una caldera puede calcularse por dos métodos:
- Método directo
H h
PV V fe
b PCI
Donde:
PV = Producción de vapor [kg/h]
H V = Entalpía del vapor [kcal/kg]
h fe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg]
10

= Consumo de combustible [Ud. de combustible/h]
PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible [kcal/Ud. de combustible]
Se observa que para poder calcular el rendimiento de la caldera por este
método será necesario conocer la producción horaria del vapor así como el consumo
de combustible.
Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método directo)
Tenemos una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/año, produce
6 t/h de vapor saturado a 7 kg/cm2 . El consumo anual de gas natural es de
3.850.000 Nm3 . El agua de alimentación está a temperatura ambiente, 20ºC.
De la Tabla 16 se obtiene la entalpía del vapor saturado a 7 kg/cm 2 659,5 kcal/kg
- Método indirecto
659, 5 20
6.
000kg
/ h 7.
600h
/ año kcal / kg
100
=......................84,1%
84,1%
3
3
3.
850.
000 Nm / año 9.
000kcal
/ Nm
Si se desconoce la producción de vapor o el consumo de combustible se aplica
este método, también conocido como método de las pérdidas separadas.
Como: QUTIL = QAPORTADO - QPERDIDAS
11
Q
Q
UTIL
APORTADO
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SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Siendo:
Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método indirecto)
En una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/año se obtiene
vapor a 7 kg/cm2 . El análisis de la combustión revela los siguientes datos:
O2 = 3%
CO 2 = 10%
CO = 0 ppm
THUMOS = 185 ºC
Q
Q
APORTADO PERDIDAS
1
QAPORTADO
Aplicando la fórmula [3] vista en el balance de una caldera y según tabla 12,
se puede calcular:
Se estiman unas pérdidas por purgas y por radiación del 5% por lo que se tendrá:
12
Q
Q
PERDIDAS
APORTADO
QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION [kcal/Ud. de combustible]
QAPORTADO = PCI [kcal/ unidad de combustible]
Qhumos = 16,3 kg/Nm 3 · 48,037 kcal/kg= 783 kcal/Nm 3
Qpurgas + Qradiación = 0,05 · 9.000 = 450 kcal/Nm 3
783 450
1
100
= 86,3%
9.
000

4. MEDIDAS PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA
A continuación se presentan las medidas de ahorro energético aplicables a las
calderas, tanto si son empleadas para la generación de vapor como si se utilizan
para el calentamiento de un fluido.
Las medidas de ahorro energético que se van a considerar son:
4.1 Ajuste de la combustión
4.2 Economizadores en calderas
4.3 Precalentamiento del aire de combustión
4.4 Recuperación del calor de purgas
4.5 Calorifugado de tuberías y tanques
4.6 Eliminación de fugas de vapor
4.7 Mantenimiento de purgadores
4.8 Expansión del condensado de alta presión
4.9 Recuperación de condensados
4.10 Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión
4.11 Convertidores de frecuencia en ventiladores de combustión y bombas
de alimentación en calderas
4.12 Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural
AJUSTE DE LA COMBUSTIÓN
Para ver el ahorro por ajuste de combustión habrá que calcular el rendimiento
de la caldera antes (n ηcf ci) y después (n ηci
cf) del ajuste de combustión.
El ahorro será:
ηcf −η
A =
η
cf
ci
Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será:
AxC
Las actuaciones a realizar para mejorar la combustión pueden ser:
a) Ajustar la combustión de forma manual
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SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
b) Sustituir los quemadores
c) Instalar microprocesadores de combustión, controlando:
O 2
O 2 + CO
O 2 + CO + Opacidad
En función del consumo anual de la caldera, que justifique la inversión, se
propondrá la medida a), b) ó c).
Ejemplo: Ajuste de la combustión de una caldera de gas natural.
Una caldera de vapor genera 7,5 t/h de vapor a 8 kg/cm2 y consume 5.000.000
Nm3 /año de gas natural se ha obtenido el siguiente resultado tras el análisis de
la combustión:
O2 = 8%
CO 2 = 7,4%
CO = 0 ppm
THUMOS = 200 ºC
Con la Tabla 12 se obtiene:
21,7 kg/Nm3 52,4 kcal/kg
14
Analizador de combustión.
Cortesía de TESTO

Por lo tanto, el calor perdido por los gases de la combustión es:
QH = 21,7 · 52,4 = 1.137 kcal/Nm3 Este calor supone un 12,6% del calor aportado por el combustible (PCI gas
natural = 9.000 kcal/Nm3 ).
El resto de pérdidas se estiman en un 5%. Por lo que el rendimiento de la caldera
es:
Se realiza un ajuste manual de la combustión y se obtiene el siguiente resultado:
O2 = 2,5%
CO 2 = 10,5%
T HUMOS = 200 ºC
Del mismo modo se calculan las pérdidas por los gases de la combustión y las
pérdidas por inquemados:
QH = 9,5%
Resto = 5,0%
Por lo que el rendimiento queda:
El ahorro de combustible será:
η = 1-0,126-0,05 = 0,824 = 82,4%
η = 1-0,095-0,05 = 0,855 = 85,5%
85,
5 − 82,
4
A = ⋅100
= 3,63%
85,
5
Que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 2.110.465 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 163,35 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,6 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 54.872 €/año
15
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MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
ECONOMIZADORES EN CALDERAS
Con esta medida se pretende aprovechar el calor contenido en los humos de
la combustión que salen de la caldera para precalentar el agua de aportación a
la misma.
El ahorro por la instalación de un economizador se
calculará a través de los rendimientos antes y después
de la mejora.
Normalmente, estos rendimientos se calculan por
el método indirecto.
Donde:
Q PERDIDAS = Q HUMOS + Q INQUEMADOS + Q PURGAS + Q RADIACION
Al instalar un economizador lo único que varía es QHUMOS pues disminuirá la temperatura de salida de los humos.
El ahorro será:
Si la caldera consume C unidades de combustible al año,
el ahorro anual será: AxC
Ejemplo: Instalación de un economizador.
Una caldera de vapor de gas natural consume 6.000.000 Nm3 /año para generar
9 t/h a 10 kg/cm2 . El análisis de la combustión tiene el siguiente resultado:
16
QPERDIDAS 1
PCI
f
i
A
f

O 2 = 3%
T HUMOS = 200 ºC
Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 16,3 kg/Nm 3
17
53,5 kcal/kg
Por lo tanto, las pérdidas en los gases de la combustión:
QH = 16,3 kg/Nm3 · 53,5 kcal/kg = 872 kcal/Nm3 Este calor equivale al 9,69% del calor aportado (PCI gas natural = 9.000
kcal/Nm 3 ). El resto de pérdidas se estiman en un 6% (pérdidas por inquemados,
radiación y purga).
η = 1-0,0969-0,06 = 0,8431 = 84,31%
Se instala un economizador para aprovechar parte del calor que tienen los
humos. De esta forma se obtiene que a la salida del economizador la temperatura
de los humos es de 180 ºC.
Las nuevas pérdidas por humos serán:
QH = 16,3 kg/Nm3 · 48,03 kcal/kg= 783 kcal/Nm3 Que equivalen a un 8,7% del calor aportado
1
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SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
η = 1-0,087-0,06 = 0,853 = 85,30%
El ahorro de combustible será:
85,
30 − 84,
31
A = ⋅100
= 1,16%
85,
30
Que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 809.302 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 62,64 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 20.233 €/año
PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN
El empleo de esta medida de ahorro energético tiene como fin el aprovechamiento
del calor residual de los humos de combustión de la caldera para el precalentamiento
del aire que será empleado en dicha combustión.
18
Precalentador de Aire.
Cortesía de KALFRISA

El uso de precalentadores de aire en calderas, dado el bajo coeficiente global
de transmisión de calor entre dos gases, sólo se recomienda como último
recuso y siempre que no se pueda utilizar la entalpía de los gases de salida para
precalentar otro tipo de fluido (por ejemplo el agua de aporte de red).
El ahorro por la instalación de cualquier equipo de este tipo se calculará a través
de los rendimientos antes y después de la mejora.
Normalmente, estos rendimientos se calculan por el método indirecto.
Donde:
QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION Al instalar un recuperador para precalentar el aire lo único que varía es QHU- MOS pues disminuirá la temperatura de salida de los humos de la caldera.
El ahorro será:
η f −η
i
A =
η
Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será:
AxC
Ejemplo: Instalación de un recuperador para el precalentamiento del aire
de combustión.
Una caldera de vapor de gas natural genera 15,5 t/h vapor a 12 kg/cm2 y consume
10.000.000 Nm3 /año. El análisis de la combustión tiene el siguiente resultado:
O2 = 4%
T HUMOS = 210 ºC
QPERDIDAS 1
PCI
Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 17,1 kg/Nm 3
19
f
56kcal/kg
1
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SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Por lo tanto las pérdidas en los gases de la combustión:
QH = 17,1 kg/Nm3 · 56 kcal/kg = 958 kcal/Nm3 Este calor equivale al 10,64% del calor aportado (PCI gas natural = 9.000
kcal/Nm 3 ). El resto de pérdidas se estiman en un 6%.
η = 1-0,1064-0,06 = 0,8336 = 83,36%
Se instala un recuperador para aprovechar parte del calor que tienen los
humos en precalentar el aire de combustión. De esta forma se obtiene que a la
salida del recuperador la temperatura de los humos es de 180 ºC.
Las nuevas pérdidas por humos serán:
QH = 17,1 kg/Nm3 · 47,83 kcal/kg = 818 kcal/Nm3 20

Que equivalen a un 9% del calor aportado
El ahorro de combustible será:
Que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 2.244.186 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 173,7 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,2 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 49.372 €/año
RECUPERACIÓN DEL CALOR DE PURGAS
La operación de purga consiste en extraer sólidos disueltos y en suspensión de
la caldera, ya que al vaporizarse el agua aumenta la concentración de estos sólidos
en el agua que queda, lo que provoca problemas importantes.
El agua evacuada en las purgas de las calderas de vapor
está a elevada temperatura y presión. El calor contenido en
el agua de purgas se recupera expansionándola en un tanque
y utilizando el líquido y el vapor producidos.
El ahorro obtenido gracias a la recuperación de este
calor sería:
Recuperadores de calor de purgas
Cortesía de SPIRAXSARCO
η = 1-0,09-0,06 =0,85 = 85%
85 − 83,
36
A = ⋅100
= 1,93%
85
Donde:
Q = Calor recuperado del condensado o purga
n η
= Rendimiento de la caldera
PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible
A
21
Q
PCI
kcal / año
kcal / ud.
comb
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Ejemplo: Recuperación del calor de purgas mediante expansión en un tanque
flash.
Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.000 h/año con un rendimiento
del 85%, produce 14 t/h de vapor a 12 kg/cm2 . Se realiza una purga continua
de 450 kg/h. Esta purga se va a expansionar en un tanque para producir
vapor a 3 kg/cm2 que será enviado a proceso.
El vapor producido será:
PV =
450
kg
h
( 189,
7 −133,
4)
kcal
kg
⋅ 7.
000
kcal
kg
año
( 650,
1−
133,
4)
Por lo tanto, el calor recuperado será:
Q = 343.226 kg/año · 650,1 kcal/kg =
223.131.220 kcal/año
De esta forma se estima que el ahorro
de combustible será:
A =
223.
131.
220
0,
85
9.
000
kcal
año
= 29.167 Nm
kcal
3
Nm
3 /año
Que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 339.151 kWh
(PCS)/año
Que equivalen a 26,25 tep/año
22
h
= 343.226 kg/año

Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 8.479 €/año
CALORIFUGADO DE TUBERÍAS Y TANQUES
Instalación de calorifugado de tuberías
Los codos, “T”, injertos, reducciones
equivalen en función del diámetro de la
tubería, a:
1”-1,5” a 1 m de tubería
2”-5” a 1,5 m de tubería
5,5”-10” a 2 m de tubería
Las pérdidas de los elementos calorifugados
se calculan por el ábaco del
suministrador del aislamiento.
Para el cálculo de las pérdidas en tanques
y depósitos se utilizan las Tablas 38
y 39 del Anexo.
El ahorro será:
Donde:
kcal h
H
A
h año
kcal
PCI
ud.
comb
El ahorro producido por el calorifugado de las
tuberías y tanques se realiza calculando la diferencia
de pérdidas de calor entre los elementos desnudos
y calorifugados.
Para calcular el calor perdido en accesorios se
emplea el ábaco de Wrede (Tabla 40 del Anexo),
teniendo en cuenta que una válvula equivale a 1,8
m de tubería y una brida a 0,3 m de tubería.
23
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Δ = Diferencia de pérdidas calorifugado y desnuda
H = Horas de funcionamiento al año
η = Rendimiento de la caldera
PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible
Ejemplo: Aislamiento de tuberías y válvulas.
En una caldera de vapor de gas natural que funciona 7.200 h/año existen 8 m
de tubo de 70 mm de diámetro y 4 válvulas sin aislar. La temperatura del exterior
de los tubos es de 120 º C y la temperatura ambiente es de 20 ºC. El rendimiento
de la caldera es del 85%.
Se calculan las pérdidas de calor en tuberías y válvulas sin aislar a partir del
ábaco de Wrede (Tabla 40).
Ábaco de Wrede
Q tubos = 3 m · 280 kcal/m h = 840 kcal/h
Q válvulas = 4 · (1,8 m · 280 kcal/m h) = 2.016 kcal/h
Q Total = 2.856 kcal/h
Se procede a colocar un aislamiento de 25 mm en las tuberías y en las válvulas
de forma que el calor perdido en ellos será el calculado en los ábacos de los
24

suministradores (Se va a suponer que las pérdidas dadas por el suministrador
son de 10 kcal/m h):
Q tubos = 3 m · 10 kcal/m h = 30 kcal/h
Q válvulas = 4 · (1,8 m · 10 kcal/m h) = 72 kcal/h
Q Total = 102 kcal/h
El ahorro de combustible será:
A =
( 2.
856 −102)
0,
85
kcal
⋅
h
kcal
3
Nm
9.
000
7.
200
Que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 30.140 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 2,3 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 754 €/año
ELIMINACIÓN DE FUGAS DE VAPOR
Siempre que exista una fuga de vapor se tendrá una pérdida energética. Para
poder realizar un ahorro energético en este aspecto habrá que localizar y eliminar
las fugas de vapor existentes.
El caudal de vapor que sale por un orificio viene dado por la expresión:
Donde:
Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h]
d = Diámetro del orificio [mm]
P = Presión manométrica del vapor [kg/cm2 ]
K = Coeficiente de valor 0,35-0,45
⋅
2
Q
= K·
d · P·
P
25
h
año
( + 1)
= 2.592 Nm 3 /año
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
También puede emplearse la Tabla 45 para el cálculo del caudal de vapor perdido
a través de las fugas.
El ahorro de energía por eliminar las fugas de vapor será:
Q × H
A = [ud. combustible/año]
X
Donde:
Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h]
H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año]
X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud combustible]
Ejemplo: Eliminación de fugas de vapor.
En una caldera de vapor de gas natural se tienen unas fugas localizadas de
vapor. En total se han encontrado 10 fugas, 4 de 3 mm de diámetro y 6 de 5 mm
de diámetro. La instalación funciona 5.000 h/año con una producción específica
de vapor de 12 kg/Nm3 a 8 kg/cm2 de presión.
De acuerdo con la Tabla 45 el caudal de vapor perdido será:
26

Orificios de 3 mm: 27 kg/h
Orificios de 5 mm: 75 kg/h
El caudal total de vapor perdido:
Q = 4 · 27 + 6 · 75 = 558 kg/h
El ahorro de combustible por eliminar las fugas de vapor será:
A =
Que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 2.703.488 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 209 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,1 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 56.773 €/año
MANTENIMIENTO DE PURGADORES
Un purgador de vapor es una válvula automática instalada en una conducción
de vapor para eliminar los condensados y el aire.
Los purgadores actúan en función de diversos
parámetros físicos, pudiendo ser estos parámetros
de tipo mecánico como la densidad, termostático
en base a diferencia de temperaturas entre el vapor
y el condensado y termodinámico en base a cambios
de fase.
Uno de los parámetros esenciales para el buen
funcionamiento de los purgadores y su máxima eficiencia
es una correcta instalación. Una vez comprobado
esto, hay que establecer, como objetivo
prioritario, un mantenimiento adecuado del mismo.
Purgador de vapor
Cortesía de Spirax Sarco
kg
558 5.
000
h
kg
12 3
Nm
h
año
= 232.500 Nm 3 232.500 Nm /año
3 /año
27
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Si Q es el caudal del vapor que se pierde por los purgadores, el ahorro energético
por eliminar dicho defecto será:
Q × H
A = [ud. combustible/año]
X
Donde:
Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h]
H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año]
X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud combustible]
Ejemplo: Mantenimiento de los purgadores
Por los purgadores de una caldera de vapor de gas natural se ha estimado que
se pierden 40 kg/h de vapor. La instalación funciona 7.000 h/año con una producción
de vapor de 12 kg/Nm3 .
El ahorro por eliminar las fugas de vapor será:
A =
kg h
40 ⋅ 7.
000
h año
= 23.334 Nm
kg
12 3
Nm
3 kg h
40 ⋅ 7.
000
A =
h año
=
/año
kg
12 3
Nm
Que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 271.325 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 21 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 6.783 €/año
EXPANSIÓN DEL CONDENSADO DE ALTA PRESIÓN
Esta medida permite emplear el condensado de una utilización de vapor a alta
presión para producir más vapor a una presión inferior que podrá ser utilizado
en otro punto del proceso productivo.
Se trata de expansionar el condensado a alta presión en un tanque para generar
vapor y nuevos condensados a una presión inferior. Estos nuevos condensados
pueden ser expansionados nuevamente en otro tanque y así sucesivamente.
28

En los sucesivos expansionados habrá que llegar a un acuerdo entre el ahorro
producido por la expansión y el coste de la instalación de nuevos tanques.
Para obtener el ahorro energético se realiza un balance de masa y calor en el
tanque de expansión.
El ahorro producido por el calor recuperado del condensado sería:
Donde:
A
=
η ×
PCI
Q[
kcal / año]
[ kcal / Ud.
de combustible]
Q = Calor recuperado del condensado
η = Rendimiento de la caldera
PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible
Ejemplo: Expansión del condensado en un tanque flash.
En una instalación que emplea vapor generado en una caldera de gas natural
se tiene un caudal de condensados 450 kg/h a 15 kg/cm2 . Se quiere expansionar
este condensado para producir vapor flash a 4 kg/cm2 .
La producción de vapor será:
PV =
450
kg
h
200, 6 143,
7
653, 4 143,
7
kg
kcal
kg
kcal
Por lo tanto, el calor recuperado será:
Q = 653,4 kcal/kg × 50,23 kg/h = 32.824 kcal/h
Si la caldera funciona durante 7.500 h/año, con un rendimiento medio del
85%, el ahorro de combustible será:
A =
32.824
0,
85
kcal
h
9.
000
h
año
kcal
3
Nm
7.
500
29
= 50,23 kg/h
= 32.180 Nm 3 /año
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
que supondrá un ahorro de:
Ahorro energético = 374.186 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 29 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 9.355 €/año
RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS
A.Tanque de condensados atmosférico
El calor del condensado se recupera en un intercambiador o en un tanque
flash, donde se obtiene vapor que se puede emplear en el proceso productivo o
en el precalentamiento del agua de aporte a la caldera. El calor del condensado
del tanque flash se puede recuperar en un intercambiador
de placas.
Al introducir el agua en la caldera a una temperatura
superior a la del agua de red se obtiene un incremento del
rendimiento de la caldera, o lo que es lo mismo, un descenso
del consumo de combustible.
Como se conoce el rendimiento de la caldera se aplica
la fórmula directa para obtener la producción específica
de vapor [kg vapor/ud. combustible]
Depósito de condensados
Donde:
El ahorro de combustible sería:
η =
HV
− H
X
PCI
η = Rendimiento de la caldera
X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible]
HV = Entalpía del vapor [kcal/kg]
HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg]
PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [kcal/ud. combustible]
X F − X
A =
X
30
F
I
C

Donde:
XF = Producción específica de vapor después de la mejora
X I = Producción específica del vapor antes de la mejora
Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será:
Ax C
B.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuito
cerrado
Esta instalación aprovecha el condensado a una presión intermedia entre la
de utilización y la atmosférica. Para ello, el tanque de alimentación se encuentra
presurizado y se utiliza una bomba de alimentación a caldera capaz de trabajar
a dicha presión.
El ahorro se calcula aplicando el mismo método que A pero HC será la entalpía
del condensado correspondiente.
C.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuito
semi-cerrado
Esta instalación aprovecha el condensado a la presión de utilización expansionándolo
en un tanque flash, produciendo vapor a baja presión que se utiliza en
el proceso y el condensado resultante se introduce a la caldera a dicha presión,
utilizando una bomba de alimentación a caldera capaz de trabajar en dichas
condiciones.
Para el cálculo del ahorro:
- Por aumentar la temperatura del condensado, se utiliza el mismo método
que A.
- Por la producción de vapor flash, se utiliza el mismo método la recuperación
del calor de purgas.
D. Instalación de una Unidad de Recuperación de
Condensados (U.R.C.)
Una U.R.C es un conjunto formado por: Circuito en bucle con
bomba de recirculación, termocompresor, refrigerador de
ajuste, eliminador de aire y elementos de medida, capaz de
tomar el condensado de la propia línea de condensados y
enviarlo directamente a la caldera.
U.R.C. Cortesía de Valsteam Engineering
31
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Este conjunto aporta las ventajas siguientes:
- Al enviar el condensado directamente a la caldera desaparecen las pérdidas
por revaporización, con lo que hay un ahorro importante de combustible.
- El hecho de no pasar por el depósito de condensados, tener toda la instalación
a presión y de existir una desaireación continua, mejora el coeficiente
de transmisión en los aparatos consumidores de vapor, acorta los tiempos
de calentamiento y mitiga la presencia de oxígeno en las conducciones,
lo que reduce en gran medida las corrosiones de las mismas, evitando la
adición de hidracina u otros inhibidores de oxígeno.
- Todo el revaporizado es agua nueva a aportar, por lo que su desaparición
hace innecesaria dicha aportación, reduciendo el consumo de agua y su
coste de tratamiento.
- Paralelamente, la menor adición de agua nueva hace descender el ritmo de
concentración de sales disueltas en el interior de la caldera, pudiendo
espaciar las purgas de la misma con el consiguiente nuevo ahorro de agua
y de combustible.
- En el caso de recuperación total de condensados, la purga se hace teóricamente
innecesaria y bastaría una pequeña purga cada dos días para mantener
perfectamente la salinidad adecuada en la caldera.
Ejemplo: Precalentamiento agua de aporte a caldera mediante vapor
flash del tanque de condensados atmosférico.
Una fábrica de fibras textiles dispone de una caldera de gas natural que
genera 5 t/h de vapor saturado a 5 kg/cm2 para su proceso productivo. Tras
emplear el vapor en el proceso, los condensados se introducen en un depósito
atmosférico en el que se evacuan 230 kg/h de vapor flash.
Se pretende aprovechar el vapor flash para precalentar el agua de aporte a
caldera, de 17º C hasta 41,8º C.
El rendimiento de la caldera es del 86%, y la producción específica de vapor
es de 12,11 kg/Nm3 de gas natural.
Precalentando el agua hasta 41,8º C, la nueva producción de vapor en la caldera
se calcula aplicando la siguiente fórmula:
HV
H
X
PCI
32
C

η = Rendimiento de la caldera
X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible]
HV = Entalpía del vapor [kcal/kg]
HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg]
PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [ kcal/ud. combustible]
Por lo que:
656 41,
8 kcal / kg
0,
86 X
X = 12,6 kg/Nm
3
9.
000 kcal / Nm
3 ( )
gas natural
El ahorro obtenido será:
Si el consumo anual de combustible es de 19.203.810 kWh(PCS)/año, el ahorro
obtenido es de:
Ahorro energético = 798.949 kWh(PCS)/año
Que equivalen a = 62 tep/año
Para un precio de gas natural de 2,4 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 19.175 €/año
COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESIÓN
Turbina de vapor. Cortesía ELCOGAS
12,
6 12,
11
A = 3,9 %
12,
6
Para instalaciones que precisen vapor a diferentes
niveles térmicos, se puede pensar en un
sistema de cogeneración con turbina de vapor a
contrapresión.
En una caldera de vapor se genera vapor a alta
presión. Parte de este vapor es enviado a proceso
y otra parte a una turbina de vapor. De esta
turbina se pueden hacer extracciones a las presiones
que se requiera que esté el resto del vapor
del proceso.
33
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
Ejemplo: Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión.
Una instalación que funciona 7.000 h/año requiere 5 t/h de vapor a 15
kg/cm2 , 3 t/h a 6 kg/cm2 y 3 t/h a 3 kg/cm2 .
El vapor proveniente de una caldera de vapor de gas natural a 15 kg/cm2 se
lamina para alcanzar las presiones de trabajo requeridas.
Se propone instalar una turbina de vapor a contrapresión en la que se realizarán
extracciones a las presiones de trabajo requeridas. El rendimiento mecánico
de la turbina es del 97,5%.
La instalación quedaría del siguiente modo:
La potencia aprovechada en la turbina, suponiendo un rendimiento isoentrópico
de 0,65, será:
P =
3.
000
kg
h
kcal
kg
666, 8 634,
5
7.
000 666, 8 628,
35
860
kcal
kWh
kg
h
Esta potencia podrá ser empleada en, por ejemplo, generación de energía
eléctrica. Si el rendimiento del alternador es del 96% la generación eléctrica
será:
34
kcal
kg
0,
975 = 415 kW
h
E.E. = 415kW ⋅ 7.
000 ⋅ 0,
96 = 2.788.800 kWh/año
año

CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN VENTILADORES DE
COMBUSTIÓN Y BOMBAS DE AGUA DE
ALIMENTACIÓN DE CALDERAS
Convertidor de frecuencia.
Cortesía de OMRON
Frecuentemente, los ventiladores y bombas de agua de
alimentación están muy sobredimensionados, funcionando
una gran parte del tiempo en condiciones muy por debajo de
las nominales. Por este motivo, el cortatiros y la válvula
empleados para la regulación del caudal trabajan en posición
muy cerrada durante todo el tiempo.
En la regulación de dichas variables, gran parte de la
potencia absorbida por los motores de accionamiento se
emplea en compensar la pérdida de carga producida en el
cortatiros y la válvula.
La sustitución de estos sistemas convencionales por sistemas que realizan la
regulación de caudal, en base a la variación de velocidad de los motores eléctricos
de accionamiento por medio de conversores de frecuencia, evita esta pérdida
de energía.
Cuando el régimen de trabajo de una caldera de producción superior a 25 t/h
varía frecuentemente, siendo durante mucho tiempo menor del nominal, el consumo
de energía de los accionamientos del ventilador y de la bomba se puede
reducir hasta un 70% y un 25%, respectivamente, de la energía consumida con
los sistemas de regulación convencionales.
El pay-back de la inversión de este tipo de instalaciones se puede asegurar
que, en la mayoría de los casos, es menor de dos años.
Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para el ventilador de una
caldera
En el ventilador de una caldera de gas natural se han medido los siguientes
parámetros:
% Carga
Potencia
absorbida [kW]
Caudal de aire
[kg/h]
100% 50 25.000
50% 30 11.500
15% 18 3.000
35
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
La caldera trabaja 7.500 h/año:
- 5.000 h/año lo hace a un 50% de carga
- 2.500 h/año lo hace a un 15% de carga
Como el caudal es de la forma Q = K · N, para la carga al 50% se puede relacionar:
Q
Q
1
2
K·
N
K·
N
1
2
25.
000
11.
500
Como la potencia es de la forma P = K · N 3 , para la carga al 50% se puede relacionar:
P 1 N
P
2 N
3
1
3
2
N
N
Operando de la misma manera para una carga de 15%:
1
2
3
El ahorro de energía obtenible sería:
A. Energético = 170.454 kWh/año
Que equivalen a = 44 tep/año
Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 12.808 €/año
36
N
N
P1
P
2
1
2
2,
174
P1
50
10, 275 P2
4,
866
P
10,
275
2
Q1
N1
25.
000
En el caudal 8,
33
Q N 3.
000
En la potencia 3 P1
N1
8,
33
P N
Luego,
3
3
3
3
3
3
P
0,
0865 kW
3
50 3
8, 33
3 2, 174
10,
275
kW

Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para la bomba de alimentación
de caldera.
En la bomba de alimentación de una caldera se han medido los parámetros
siguientes:
% Carga
Potencia absorbida
[kW]
50% 25
10% 20
La caldera trabaja 7.500 h/año:
- 5.000 h/año lo hace a un 50% de carga
- 2.500 h/año lo hace a un 10% de carga
En base a la curva característica de la bomba de agua de alimentación de la
caldera se tiene:
Carga de la caldera 50%
Caudal de agua 15 m 3 /h
Actual H1 = 25 kg/cm 2
Previsto (con variador de
velocidad)
H2 = 15 kg/cm 2
La potencia absorbida en la situación actual y teniendo en cuenta el variador
de velocidad, para caudales iguales:
10·
Q·
H
P 1 =
η
P 1
=
P2
P
P
η 2
=
η
1
2
1
H1·
η 2
H · η
25
0,
9
1
,
1
1
= · 0,
9 ⇒ P2
= 0,
67·
2 15
- Al 50% de carga:
- Al 10% de carga:
37
10·
Q·
H
P 2 =
η
P
P2 = 0,67 · 25 = 16,75 kW
P3 = 0,67 · 20 = 13,4 kW
1
2
2
1
Calderas

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
El ahorro de energía obtenible sería:
A. Energético = 57.750 kWh/año
Que equivalen a = 14,5 tep/año
Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro económico
de:
Ahorro económico = 4.216 €/año
SUSTITUCIÓN DE UNA CALDERA ELÉCTRICA POR CALDERA DE
GAS NATURAL
Caldera de gas natural
Mediante esta propuesta de mejora se calcula el ahorro
obtenido al sustituir las calderas eléctricas de una fábrica
por una caldera de gas natural.
Ejemplo: Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural
En una empresa textil se dispone de 23 calderas eléctricas para calentar un
fluido térmico (difenilo), que se demanda para el proceso productivo en estado
líquido a (250º C y 2 – 3 kg/cm2 ) y en estado gaseoso (a 220 – 250º C y 0,5
– 0,6 kg/cm2 ).
La potencia total instalada en las calderas es de 847 kW, funcionando con un
grado de carga medio del 50%. Mediante el difenilo se obtiene energía térmica
a altas temperaturas que se precisa en diferentes puntos de consumo.
Se propone sustituir las calderas eléctricas por una caldera de gas natural
que genere el fluido térmico a la máxima presión demandada, regulando la
temperatura en cada punto de consumo mediante válvulas reductoras de presión
y válvulas de tres vías.
El consumo de las calderas eléctricas, para un funcionamiento anual de 7.800
h/año, es:
847 kW · 7.800 h/año · 0,5 = 3.303.300 kWh/año = 826 tep/año
38

El rendimiento de las calderas eléctricas para un grado de carga medio del
50% es del 85%, por lo que la energía térmica generada es de:
3.303.300 kWh/año · 0,85 = 2.807.805 kWh/año
El consumo de la caldera de gas natural para producir esta energía térmica
demandada, para un rendimiento de la caldera del 75%, es el siguiente:
2.807.805 kWh/año / 0,75 / 0,9 = 4.159.711 kWh (PCS)/año = 322 tep/año
El ahorro energético sería, por lo tanto de:
Ahorro energético = 826 - 322 = 504 tep/año
Ahorro económico para un precio de energía eléctrica de 7,8 c€/kWh y gas
natural de 2,3 c€/kWh:
kWh c€
kWh c€
A. Económico = 3. 303.
300 7,
8 4.
159.
711 2,
3 = 161.984 €/año
año kWh
año kWh
39
1
Calderas