calderas

1. Calderas de vapor y
eficiencias
Profesor: Mario SantizoProfesor: Mario Santizo
Mario Santizo

2. USOS DEL VAPOR EN LAUSOS DEL VAPOR EN LA
INDUSTRIAINDUSTRIA
Indirectamente en intercambiadores de calorIndirectamente en intercambiadores de calor.
Directamente en el proceso de esterilización, lavado y
sanitización.
Calentamiento y/o reacciones en corrientes de proceso.y p
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3. SISTEMAS DE VAPOR EN LASISTEMAS DE VAPOR EN LA
INDUSTRIAINDUSTRIA
Mario Santizo

4. GENERACION DE VAPOR
Condensado de vapor a
198ºF
Agua fresca a 78.8ºF
VALVULA REGULADORA DE PRESION 1
Retorno calderas a
58 ºC
de
s
40ºC
F
VALVULA REGULADORA DE PRESION 2
VAPOR DE CALENTAMIENTO
Bunkerd
tanques
primariosa4
T
TANQUE DIARIO
DE BUNKER
AAA
TANQUE DE
CONDENSADOS
1
TANQUE DE
CONDENSADOS
2
D
Diam. 8"
PORAPROCESO
CONDENSADOSDEMANIFOLD
Caldera de vapor Cleaver
Brooks de 400 Bhp
Caldera Cleaver Brooks de
300 BhpMANIFOLD PRINCIPAL DE
VAPOR
VAPOR DE CALDERA 300 Bhp
VAPOR DE CALDERA 400 Bhp
VAP
RETORNODEC
AALIMENTACION
LDERASA158ºF
Eficiencia de caldera
actual = 76.12 %
Eficiencia de caldera
mejorada = 85.04 %
Eficiencia de caldera
actual = 79.77 %
Eficiencia de caldera
mejorada = 86.42 %
AGUA
ACAL
1. Retorno de condensado actual = 66.44 %
2. Retorno de condensado mejorado = 95.11 %
3. Producción de vapor = 34,476,809 lb de vapor/año
4. Costo de 1,000 lbs de vapor = Q 53.05
Ref. 5.610 Q/gal.
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5. Calderas de vapor
PirotubularesPirotubulares
AcuotubularesAcuotubulares
de comb stible sólidode combustible sólido
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6. Calderas Pirotubulares
Los gases de combustión circulan a través de los tubos
que se encuentran sumergidos en el agua.
(bajas capacidades y consumo de vapor)
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7. Calderas Pirotubulares
Caldera de vapor pirotubular con capacidad de
producción de 1,200 Kgs./h. de vapor, con
quemador de fuel-oil. En primer plano aparecen las
puertas antiexplosión.
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8. Calderas Pirotubulares
Caldera de vapor pirotubular con capacidad de
producción de 1,000 Kgs./h. de vapor, con
quemador de fuel-oil.
Mario Santizo

9. Calderas Pirotubulares
Caldera de vapor pirotubular con capacidad de
producción de 2,500 Kgs/h.y 18,000 Kgs./h. de
vapor, con quemador de fuel-oil.
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10. Calderas con capacidades de 6 a 100 hp de calderaCalderas con capacidades de 6 a 100 hp de caldera,
Diseño de cuatro pasos de gases de combustion,
Caldera del tipo vertical.p
Calderas para vapor con capacidades de hasta 1,560 kg-hrMario Santizo

11. Calderas Piroacuotubulares
Caldera de vapor piroacuotubular de agua
sobrecalentada de 1,000,0000 kcal/h con
quemador de sólidos y de gasóleo
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12. Calderas Acuotubulares
Los gases de combustión circulan alrededor de los tubos
por cuyo interior circula el agua.
(altas capacidades y demanda de vapor: La caldera que se presenta
en esta diapositiva es de muy baja capacidad, debido a la cual presenta una
)configuración diferente a una caldera acuotubular de potencia)
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13. Calderas Acuotubulares
Caldera para una producción de 20,000 Kgs./h. de
vapor, a 30 bar de presión de trabajo, vista desde
el calentador de aire.
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14. Calderas Acuotubulares
Caldera compacta
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15. Calderas de combustible sólido
Caldera compacta de agua sobrecalentada de
3,500,000 kcal/h., de combustible sólido. Vista
desde el ciclón depurador de humos.
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16. Generación de vapor (caldera)Generación de vapor (caldera)Generación de vapor (caldera)Generación de vapor (caldera)
CombustiónCombustión
Eficiencia de combustiónf
Eficiencia de caldera
Recuperación de calor en calderas
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17. Proceso deProceso deProceso deProceso de
CombustiónCombustiónCombustiónCombustión
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18. QuemadoresQuemadoresQuemadoresQuemadores
combustoleo bi Usos industriales LPGcombustoleo biogas Usos industriales LPG
G /di lGas/diesel o
diesel/combustoleo
Diesel o
gasoleo
Estos quemadores computarizados de alta eficiencia incluyen analizadores de oxígeno con
regulación e impresión, distintos tipos de señales de modulación, recirculación de humos para más
bajo NOx dispositivos de variación automática e instantánea de la cabeza de combustión según labajo NOx, dispositivos de variación automática e instantánea de la cabeza de combustión según la
potencia, compensador axial anti-vibraciones, control de tensión electrónico entre válvulas de
seguridad, versiones para manejo de aire combustión a alta temperatura.
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19. Partes de un quemador convencionalPartes de un quemador convencional
Mario Santizo

20. Mario Santizo

21. Atomización de combustible y comburenteAtomización de combustible y comburenteAtomización de combustible y comburenteAtomización de combustible y comburente
COMBUSTIBLECOMBUSTIBLECOMBUSTIBLECOMBUSTIBLE
Purga Tanque Primario.
Calentamiento (tanque primario a secundario, tanque secundario,
intercambiador de calor y en la caja de viscosidad).
Limpieza de filtros de canasta.
Presión de atomización del combustible y del airePresión de atomización del combustible y del aire.
Temperatura de atomización del combustible.
Caja de viscosidad
AIREAIRE
Presión de atomización.
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22. Mario Santizo

23. Combustión es:Combustión es:Combustión es:Combustión es:
Es el proceso que se realiza en el
quemador del generador de vapor el
cual transforma la energía químicacual transforma la energía química
del combustible en energía térmica ag
través de una energía de activación.
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24. COMBUSTIONCOMBUSTIONCOMBUSTIONCOMBUSTION
Energía de
activación
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25. Reacción de combustiónReacción de combustiónReacción de combustiónReacción de combustión
Oxidación del carbono
C + O2 = CO2 + ∆C + O2 CO2 + ∆
Oxidación del hidrogeno
H2 + 1/2 O2 = H2O + ∆
Oxidación del azufreOxidación del azufre
1/2 S2 + O2 = SO2 + ∆
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26. RELACION AIRE/COMBUSTIBLERELACION AIRE/COMBUSTIBLERELACION AIRE/COMBUSTIBLERELACION AIRE/COMBUSTIBLE
COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE
EXCESO DE AIREEXCESO DE AIRE
MEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADAMEZCLA ADECUADA
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27. Relación OptimaRelación Optima
combustiblecombustible--comburentecomburente
Operar con el mínimoOperar con el mínimoOperar con el mínimoOperar con el mínimo
i ibl di ibl dpermisible depermisible de
exceso de aireexceso de aire
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28. Coloración de la llama al operar con elColoración de la llama al operar con el
mínimo permisible de exceso de airemínimo permisible de exceso de aire
rojo obscuro 1000ºF
rojo 1350ºF
rojo brillante 1500ºF
salmón 1650ºF
naranja 1750ºF
amarillo 1850ºF
amarillo ligero 2000ºF
blanco 2200ºF
blanco brillante 2750ºF
deslumbrador 3450ºF
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29. P é l í i¿Por qué operar con el mínimo
i ibl d d i ?permisible de exceso de aire?
Por el efecto refrigerante que ocasiona elPor el efecto refrigerante que ocasiona elf f g qf f g q
nitrógeno en el proceso de combustiónnitrógeno en el proceso de combustión
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30. Composición del aire de combustiónComposición del aire de combustiónComposición del aire de combustiónComposición del aire de combustión
79 % ES NITROGENO79 % ES NITROGENO
21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO21 % ES OXIGENO
INGRESA A TEMP. AMBIENTEINGRESA A TEMP. AMBIENTE
EL NITROGENO NO INTERVIENE EN ELEL NITROGENO NO INTERVIENE EN EL
PROCESO DE COMBUSTIONPROCESO DE COMBUSTION
FUNCIONA COMO ELEMENTOFUNCIONA COMO ELEMENTOFUNCIONA COMO ELEMENTOFUNCIONA COMO ELEMENTO
REFRIGERANTEREFRIGERANTE
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31. ENERGIA ABSORBIDA POR EL NITROGENOENERGIA ABSORBIDA POR EL NITROGENO
TT T t bi t (85 ºF)T t bi t (85 ºF)TT11 = Temperatura ambiente (85 ºF)= Temperatura ambiente (85 ºF)
TT22 = Temperatura gases de escape (420 ºF)= Temperatura gases de escape (420 ºF)22
∆∆H = CambioH = Cambio entálpicoentálpico ((∆∆hh 420ºF420ºF -- ∆∆hh 85ºF85ºF))
fl j á i d l it ófl j á i d l it óm = flujo másico del nitrógenom = flujo másico del nitrógeno
cálculo
Q = mnitrógeno (∆H)nitrógenoQ ( )
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32. RESUMENRESUMEN
Para optimizar el proceso de combustión se debePara optimizar el proceso de combustión se debe
tomar en cuenta los siguientes factorestomar en cuenta los siguientes factoresg fg f
Purgar depósitos primarios y secundarios de combustiblePurgar depósitos primarios y secundarios de combustible
Limpieza de filtros de combustible y aireLimpieza de filtros de combustible y aire
Temperatura y presión adecuada del combustibleTemperatura y presión adecuada del combustible..
Presión adecuada del comburente (aire)Presión adecuada del comburente (aire)
Funcionamiento de la caja de viscosidadFuncionamiento de la caja de viscosidad
Operar con el mínimo permisible de aireOperar con el mínimo permisible de aire (del 20 al 35% dependiendo del combustible)(del 20 al 35% dependiendo del combustible)
Capacidad adecuada del quemadorCapacidad adecuada del quemador (operarlo entre el 65 al 85% de carga)(operarlo entre el 65 al 85% de carga)p qp q
Mantenimiento delMantenimiento del modutrolmodutrol
Ajuste y engrase de mecanismosAjuste y engrase de mecanismos móviles (varillas direccionales del aire)móviles (varillas direccionales del aire)Ajuste y engrase de mecanismosAjuste y engrase de mecanismos móviles (varillas direccionales del aire)móviles (varillas direccionales del aire)
Mario Santizo

33. Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?
Mario Santizo

34. EFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DE
COMBUSTIÓNCOMBUSTIÓNCOMBUSTIÓNCOMBUSTIÓN
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35. EFECTO ENTRÓPICOEFECTO ENTRÓPICOEFECTO ENTRÓPICOEFECTO ENTRÓPICO
Eficiencia de combustiónf
FF b ió (3 000 ºF)Fuente:Fuente: combustión (3,000 ºF)
Sumidero:Sumidero: gases de escape (420 ºF)Sumidero:Sumidero: gases de escape (420 F)
Incremento entrópicoIncremento entrópico
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36. Qué es eficiencia de combustión?f
La energía entrando a la caldera menos
l í d h d l dla energía desechada en los gases de
chimenea En otras palabras: Es la quechimenea. En otras palabras: Es la que
utiliza la caldera de vapor para su
operación (Pérdidas por radiación y convección, por purga y la energía
respecto a la energíaaprovechada por el vapor) respecto a la energía
entrando a la caldera (Energía entrando por el quemador =
conversión total de energía química del combustible en energía térmica)
EEcombustióncombustión = 1= 1 –– (Q(Q perdido en gases de chimeneaperdido en gases de chimenea /Q/Q entrandoentrando))
Mario Santizo
EEcombustióncombustión 11 (Q(Q perdido en gases de chimeneaperdido en gases de chimenea /Q/Q entrandoentrando))

37. Es la eficiencia de combustión laf
energía térmica que aprovecha la
ld d l d h bcaldera de vapor luego de haberse
?“eliminado” la de los gases de escape ?
EEcombustióncombustión = 1= 1 –– (Q(Q perdido en gases de escapeperdido en gases de escape /Q/Q entrandoentrando))
Mario Santizo

38. Efi i i d b tióEfi i i d b tióEficiencia de combustiónEficiencia de combustión
Energía entrandoEnergía entrando -- perdida en gasesperdida en gasesEnergía entrandoEnergía entrando perdida en gasesperdida en gases
Energía entrandoEnergía entrando
100100
gg
EEcombustióncombustión = 1= 1 –– (Q(Q perdido en gases de chimeneaperdido en gases de chimenea /Q/Q entrandoentrando))
Mario Santizo

39. Medición de la eficiencia de combustiónMedición de la eficiencia de combustión
mediciones utilizadas para determinar la eficiencia demediciones utilizadas para determinar la eficiencia de
combustióncombustión
Opción 1
Porcentaje de oxigenoj g
Temperatura de gases de chimenea y ambiente
O ió 2Opción 2
Porcentaje de dióxido de carbono
Temperatura de gases de chimenea y ambiente
Herramientas a utilizar para determinar laHerramientas a utilizar para determinar lapp
eficiencia de combustióneficiencia de combustión
Gráficos de O2 o CO2 vrs temperaturaGráficos de O2 o CO2 vrs temperatura
Tablas de O2 o CO2 vrs temperatura

40. Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?
Mario Santizo

41. EFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DEEFICIENCIA DE
CALDERACALDERACALDERACALDERA
Mario Santizo

42. Pérdida de energía en una calderaPérdida de energía en una calderaPérdida de energía en una calderaPérdida de energía en una caldera
Pérdida de calor en gases de chimenea secosPérdida de calor en gases de chimenea secos.
Pérdida de calor en los gases de chimenea debido a la
humedad del combustiblehumedad del combustible.
Pérdida de calor debido al hidrogeno contenido en el
combustible.combustible.
Pérdida de calor debido al combustible no quemado.
Pérdida de calor por radiaciónPérdida de calor por radiación.
Pérdida de calor debido a la purga de la caldera.
Mario Santizo

43. Que es eficiencia de caldera ?Que es eficiencia de caldera ?
SiSi restamosrestamos aa lala eficienciaeficiencia dedeSiSi restamosrestamos aa lala eficienciaeficiencia dede
combustión,combustión, laslas pérdidaspérdidas totalestotales dede
energíaenergía (purga(purga yy radiaciónradiación--convección)convección) sese obtieneobtiene lala
fi i ifi i i dd ldldeficienciaeficiencia dede calderacaldera
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44. fi i i d ldfi i i d ldEficiencia de calderaEficiencia de caldera
E.C. = (lb vapor/hr) (H vapor – h agua caldera)
(C b ibl ) (HHV)(Consumo combustible) (HHV)
Caballos de vaporCaballos de vapor
bhp = (lb vapor/hr) (Hv. - ha.a.)
(34 5) (970 3)(34.5) (970.3)
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45. Eficiencia de calderaEficiencia de calderaEficiencia de calderaEficiencia de caldera
Es el porcentaje de energía que seEs el porcentaje de energía que se
utiliza para producir vaporutiliza para producir vaporutiliza para producir vaporutiliza para producir vapor
O sea la eficiencia de combustión menos:
1 Pé did1. Pérdida por purga.
2. Pérdida por radiación y convección.
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46. 1 Pérdida por purga1 Pérdida por purga1. Pérdida por purga1. Pérdida por purga
Función de:
STD del agua de alimentación
d l ldde la caldera.
STD del agua de caldera.STD del agua de caldera.
Hv a presión de generación
Hliq a presión de generación
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47. Cál l d l é didCál l d l é didCálculo de la pérdida por purgaCálculo de la pérdida por purga
% en peso% en peso
% P (STD )(100)/STD% P = (STDa.a.)(100)/STDa.c.
% en energía% en energíagg
% P = % P(Hliq.)/Hv
H l í ió d ldHv = entalpía a presión de caldera
Hliq = entalpía sensible a presiónq p p
de caldera
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48. 2 Pé did di ió ió2 Pé did di ió ió2. Pérdida por radiación y convección2. Pérdida por radiación y convección
Función de:
Emisividad del material superficial.
Temperatura promedio superficial de laTemperatura promedio superficial de la
caldera.
Temperatura ambiente.
Área superficial de la calderaÁrea superficial de la caldera.
Horas de operación de la caldera.
Mario Santizo

49. Cálculo de la pérdida radiación y convecciónCálculo de la pérdida radiación y convecciónCálculo de la pérdida radiación y convecciónCálculo de la pérdida radiación y convección
0.174(e)[((Ts + 460)4/100)- (Ta + 460)4/100)) + 0.296(Ts - Ta)5/4
MMBtu/hrpie2MMBtu/hrpie2
(á fi i l d ld )(h ió / ñ )(área superficial de caldera)(hr operación/año)
MMBtu/año
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50. REGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGARREGLAS DEL PULGAR
1 T T 60 ºF1. T gases chimenea = T vapor producido + 60 ºF max
2 Pé did ió di ió 1 5 %2. Pérdidas por convección y radiación < 1.5 %
3 Perdidas por purga de fondo < 3 5 %3. Perdidas por purga de fondo < 3.5 %
4 Porcentaje de carga de caldera > 65 %4. Porcentaje de carga de caldera > 65 %
QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?QUE SIGNIFICAN ESTOS VALORES ?
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51. SIGNIFICAN QUE:SIGNIFICAN QUE:
% %
SIGNIFICAN QUE:SIGNIFICAN QUE:
E combustión = 82 % a 84 %
E = 77 % a 79 %E caldera 77 % a 79 %
Y SIGNIFICAN QUE:Y SIGNIFICAN QUE:
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52. E = 82 % a 84 %E combustión = 82 % a 84 %
16 a 18 kJ perdidos en en
gases de chimeneagases de chimenea
100 kJ entrando
(combustoleo)
Mario Santizo

53. E ld = 77 % a 79 %E caldera 77 % a 79 %
16 18 kJ did16 a 18 kJ perdidos en en
gases de chimenea
100 kJ entrando
(combustoleo)
1.5 kJ perdidos
por convección
y radiacióny radiación
operando la caldera con
un 65 % de carga
3.5 kJ perdidos por purga
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54. Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?
Mario Santizo

55. ÁÁCÁLCULO DELCÁLCULO DEL
VAPORVAPORVAPORVAPOR
PRODUCIDOPRODUCIDOPRODUCIDOPRODUCIDO
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56. CÁLCULO DEL VAPOR PRODUCIDO
E caldera = 78 %E caldera 78 %
Base de cálculo
Búnker consumido = 100 gal/hr de búnker requerido
Poder calorífico del combustible = 150 000 Btu/galPoder calorífico del combustible = 150,000 Btu/gal
Vapor producido a 155 psig
Agua entrando a la caldera a 162.21 ºF
Mario Santizo

57. DATOSOS
%78=calderaE
galón
Q
búnto 00.8kercos =
gal
MBtu
gal
Btu
búncaloríficopoder 15.0000,150ker ==
lb
Btu
H psigvapor 8.193,1155 =
lb
Btu
h Fcalderaagua 17.130º21.162 =
lb
Btu
lb
Btu
lb
Btu
H 63.063,117.1308.193,1 =
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−=∆
lblblb ⎠⎝
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58. CÁLCULOSC CU OS
h
Btu
x
gal
Btu
h
gal
consumidaEnergía 5
10150000,150100 =⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
⎠⎝
( )
h
Btu
x
h
Btu
xvaporproducir
parautilizadaEnergía
55
101171015078.0 =
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
= ( )
hh
pp
⎠
⎜
⎝
psiga
h
vaporlb
h
Btu
x
Btu
lb
vaporoducción 155000,1110117
63.063,1
Pr 5
=⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
( )vaporlb
lb
BtuxgalQ
vaporlbto 000,1
10117
00.8000,1cos
5 ⎟
⎞
⎜
⎜
⎜
⎛
⎞
⎜⎜
⎛⎞
⎜⎜
⎛
= ( )
Q
p
h
vaporlbBtugal
p
7356
,
000,11000,150
,
⎟
⎠
⎜
⎜
⎝
⎠
⎜⎜
⎝⎠
⎜⎜
⎝
vaporlb
Q
000,1
73.56=
Mario Santizo

59. Al t ?Al t ?Alguna pregunta ?Alguna pregunta ?
Mario Santizo

60. RECUPERACIÓN DERECUPERACIÓN DERECUPERACIÓN DERECUPERACIÓN DE
CALORCALORCALORCALOR
Mario Santizo

61. Mario Santizo

62. Mario Santizo

63. 500
Punto de rocío en los gases de chimenea
CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CÁLCULO DE
ECONOMIZADORES
400
Punto de rocío en los gases de chimenea
t leos
menea,ºF
300
combustoleos
asesdechi
200 carbón
rocíodega
1 0 2 0 3 0 4 0 5 00
0
100
Puntode
1.0 2.0 3.0 4.0 5.00
Porcentaje de azufre en los combustóleos
Determinación de la temperatura de salida de los gases de
chimenea (el valor más alto de A o B)chimenea (el valor más alto de A o B)
A. Criterio de transferencia de calor:
Tg = T1 + 100 ºF (min)g 1 ( )
B. Punto de rocío de los gases de combustión según porcentaje
de azufre del combustoleo
Mario Santizo

64. 235
240
CRITERIO DE TRANSFERENCIA PARA EL CÁLCULO DE
PRECALENTADORES DE AIRE
215
220
225
230
emofrío,ºF
Combustoleos
205
210
215
nimaenelextre
175
180
185
emperaturamín Carbón
155
160
165
170
Tef
=Te
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.00
150
Porcentaje de azufre en los combustóleos
Determinación de la temperatura de salida de los gases de
hichimenea
Combustibles gaseosos A. Punto de vista económico:
Tg (min) = 250 ºF
Combustoleos y carbón A. Determinación de Tg:
T = 2 T TTg = 2 Tef - Ta
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