4.5 Ahorro de
energia en
maquinas
termicas
Cristhian Alberto Urias Vega
Juan Ivonek Agruel Toledo
Jesus Fernando Torres Morales
CONtenido:
Ahorro de Energía en Calderas
Ahorro de Energía en turbinas de vapor de gas
Ahorro de Energía en intercambiadores de calor
Ahorro de Energía en redes térmicas
Ahorro de Energía en ductos
Ahorro de Energía en compresores
Ahorro de Energía en motores de combustión interna
Otros temas…
¿Qué es una
caldera?
La caldera es una máquina que
produce vapor a presión al
calentar agua por medio del
calor generado por el consumo
de un combustible.
¿partes fundamentales de una
caldera?
Tipos de
calderas
PIROTU
BULAR
Caldera pirotubular el agua corre por fuera y
el vapor va por los tubos, este tipo de
caldera suelen ser de un vapor seco muy
leve, así como también manejar bajas
presiones y temperaturas.
En estas calderas el material de
construcción usado es acero al carbón.
Tipos de
calderas ACUOTU
BULAR
Caldera acuotubulares el agua corre por dentro
de los tubos y el vapor va por fuera, este tipo
de caldera suelen ser de un vapor seco muy
eficiente, así como también manejar altas
presiones y temperaturas. El material de
construcción son aleaciones de materiales.
AHORRO DE ENERGIA
EN CALDERAS
•
Precalentar el aire para la combustión
•
Minimizar la purga de la caldera
•
Mejorar la eficiencia de la combustión
•
Instalar economizadores
•
Analizar los costos del vapor
•
Mantener libre de incrustación el lado del agua de las
superficies de calefacción
•
Aislar las líneas de distribución de vapor y las de retorno de
condensado
•
Suministrar el aire adecuado para la combustión
•
Colocar trampas de vapor (válvula automática cuya misión es
descargar condensado sin permitir que escape vapor vivo.)
•
Eliminar perdidas de calor
Usar economizadores
Un economizador convierte el gas de
combustión en energía pura, que puede
reutilizarse directamente en el sistema de
caldera para reducir los costes energéticos o
comercializarse a instalaciones district heating
para reducir los costes operativos.
La energía aprovechada por el economizador
puede usarse en muchos procesos distintos del
sistema de caldera, desde el calentamiento del
condensado al agua corriente.
Metodos para calcular la
eficiencia de calderas
Método
directo
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =
∗ 100
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
Método
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎indirecto
𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = 100 − 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 %
Perdidas de
Perdidas decal0r
calor en gases de
combustion
Las pérdidas se producen debido a la temperatura y volumen
de los gases que salen por la chimenea: a mayor temperatura
de los gases, menor es la eficiencia de la caldera.
•
El quemador esta produciendo mas calor del que se
requiere.
•
Las superficies de calefacción de la caldera no están
funcionando correctamente y el calor no se está
transfiriendo al agua.
Perdidas por
radiación
Debido
a
que
la
caldera
está
más
caliente que el medio
ambiente
donde
se
encuentra, una parte
de
su
calor
se
transfiere
a
su
alrededor.
Perdidas en
purgas
El
objetivo
de
esta
operación
es
la
extracción de sólidos
disueltos
y
en
suspensión dentro de la
caldera
Ocasiona problemas
incrustación
importantes
de
Los quemadores son los dispositivos responsables de:
• Mezclar adecuadamente el combustible y el aire en
las
proporciones
correctas,
para
obtener
una
combustión completa.
• Determinar la forma y dirección de la flama.
Rango de operación:
• Este es la relación entre la máxima capacidad para
quemar
combustible
y
su
mínima
capacidad
controlable.
Para quemar eficientemente el combustóleo, se requiere
una relación muy alta entre la superficie de la
partícula de combustible y su volumen
se requiere de un alto grado de atomización del
combustible. Por experiencia se sabe que el mejor
tamaño de partícula está entre los 20 µm y los 40 µm.
Los usuarios saben que estos combustibles deben ser
calentados para que fluyan más fácilmente
Estos quemadores contienen simplemente un orificio
calibrado en un extremo de un tubo a presión.
Típicamente la presión del combustible está en el
rango de 7 a 15 bar.
El combustible es suministrado a través de un tubo
central que descarga en la parte interna de un cono ó
“copa” que gira rápidamente.
Conforme el combustible se desplaza a lo largo del
cono debido a la fuerza centrífuga, el combustible es
descargado por el labio del cono finamente atomizado.
El gas natural es uno de los combustibles más
utilizados por la industria en la mayoría de los
países más avanzados; en México, la industria continúa
sustituyendo
los
combustibles
líquidos
por
gas
natural.
Usualmente éstos operan entre
los 2.5 y los 10 mbar. La
capacidad de estos quemadores
está limitada aproximadamente
a 1 MW.
Éstos operan a presiones
mayores, normalmente entre
los 12 y 175 mbar, y
pueden
incluir
varias
toberas para producir una
forma particular de flama.
Estos quemadores pueden quemar combustible líquido o
gaseoso; normalmente, se diseñan para utilizar gas como su
combustible principal, pero tienen la característica de
poder
quemar,
además, combustibles líquidos como el
• Se cierra
la línea de suministro
combustóleo.
de gas
•
Se abre la línea de suministro
de combustible líquido
•
En el panel de control del
quemador
se
selecciona
“combustible líquido”
•
Se purga y se vuelve a encender
la caldera
Sistema de control para
quemadores
• Sistema encendido-apagado (On/Off)
Este es el mas sencillo de los sistemas de control, el quemador esta encendido a su
máxima capacidad, o completamente apagado. (La caldera esta sujeta a cambios
térmicos bruscos, calderas de tamaño pequeño).
• Sistemas de control fuego bajo/alto
El quemador en un principio opera a fuego bajo, y posteriormente y de acuerdo con
los requerimientos, cambia a fuego alto. (Evitan choques térmicos)
• Sistemas de control modulante
Estos sistemas varían el rango de fuego de los quemadores de acuerdo con la
demanda de la caldera dentro de todo el rango del quemador. Quiere decir que la
caldera se mantiene encendida dentro de todo su rango de potencia maximizando
su eficiencia térmica y reduciendo los esfuerzos térmicos.
¿Qué es una
TURBINA DE
VAPOR ?
Una turbina de vapor es
una maquina que convierte
la energía del vapor en
trabajo mecánico.
Comúnmente se emplea para
mover
un
generador
eléctrico que transforma
el
trabajo
en
energía
fundamentales de
una turbina de
vapor?
Rotor. Parte movil de la turbina que lleva
montadas las ruedas con paletas o las
toberas moviles (las paletas y toberas
moviles se conocen como alabes)
Toberas fijas. Transforman la presion del
vapor en velocidad.
Carcaza. Cubierta o envolvente de la
turbina en donde van montadas las toberas
fijas.
ESQUEMA DEL
CIRCUITO DE una
turbina de vapor
AHORRO DE ENERGIA EN
TURBINAS DE VAPOR
• Altos parámetros de vapor cuando sea posible
• Incrementar el tamaño de las unidades para, asegurar la mayor
eficiencia del equipo
• La selección del equipo es hecha en función del punto de carga más frecu
• Se pueden incluir equipos que optimicen el ciclo como precalentadores,
economizadores, etc.
• Control avanzado de la temperatura de calor
• Estabilización de la tasa de disparo y optimización de la combustión
• Excesiva reducción de oxígeno en combustión de la caldera
• Mejoramiento del surtidor de presión de agua y control de nivel
• Reducción de fugas
• Reducción de las pérdidas térmicas
• Optimización térmica de las operaciones de enfriadores
¿Qué es un intercambiador de
intercambiador de calor es
calor?
dispositivo diseñado para
•
Un
un
transferir calor de un medio a
otro.
•
Consiste en un conjunto de
tubos o conductos, a través de
los cuales fluyen dos fluidos
diferentes, uno caliente y otro
frío, que están separados por
una pared metálica o algún otro
material conductor de calor.
Tipos DE intercambiadores
de calor
Contacto entre fluidos:
• Intercambiadores de contacto directo.
• Intercambiadores de contacto indirecto.
• Los intercambios de calor se producen en 3
fases: convección, conducción y, de nuevo,
convección.
Dirección de los fluidos:
• Paralelo
• Contraflujo
• Cruzado
Según cuantas veces se intercambia calor:
• Paso simple
• Múltiples pasos
AHORRO DE ENERGIA EN
intercambiadores de calor
Ahorro de energía mediante la recuperación de calor.
Los intercambiadores de calor transfieren el calor del aire
interior utilizado que sale al aire fresco exterior que entra.
•
Redes térmicas
Son sistemas centralizados
de generación térmica que
mediante un sistema de
redes
que
transportan
fluidos térmicos permiten la
satisfacción de la demanda
de calefacción y agua
caliente
Ductos
Los ductos de vapor de agua son
habituales en Centrales Termoeléctricas,
ampliamente utilizadas como medio de
transporte de vapor sobrecalentado, para
generación,
y
vapor
saturado
de
calefacción.
¿Qué es un motor
de combustión
interna?
•
El motor de combustión interna
es un tipo de motor que obtiene
la energía mecánica a partir de la
energía química con la que
cuentan los combustibles.
partes
fundamentales de
un motor de
combustión
Partes principales
• El bloque del motor es la pieza principal
•
Dentro del bloque se encierran los
cilindros y suele estar confeccionado en
una sola pieza
• Incorpora múltiples canalizaciones para
la lubricación
refrigeración.
o
el
sistema
• Su fabricación debe ser nanométrica
de
• Los pistones son los encargados de
mover los gases.
•
El vacío que generan en la cámara de
combustión llama a la mezcla a su
interior para luego comprimirla y
aprovechar la fuerza de la explosión.
• La biela de un motor de combustión
conecta el cigüeñal con el pistón que forma
parte de la combustión en el interior del
cilindro.
cigüeñal soporta las fuerzas y
presiones que provocan las válvulas al
realizar la combustión.
• El
• El cigüeñal empuja a los pistones que
transmiten la energía al cigüeñal a través
de las bielas, convirtiendo los
movimientos alternativos en fuerza
circular.
•
El árbol de levas es un mecanismo
cuya principal función es regular
la apertura y el cierre de las
válvulas.
•
Son las encargadas de dejar fluir
los gases hacia el cilindro.
•
Están fabricadas en acero u otros
materiales como titanio, ya que
trabajan a temperaturas muy altas.
•
Sirve como cierre del bloque por
la parte inferior, y también
funciona como depósito para el
aceite del motor.
•
Los cilindros son las piezas por
las que circulan los pistones.
• La culata es la parte superior del motor.
•
Con ella se cierran los cilindros en su
parte superior, y se alojan todos los
componentes en ella.
¿Cómo funciona un
motor de
combustión
interna?
Los 4 tiempos
• Con el pistón situado en el extremo
superior del recorrido, las válvulas de
admisión se abren para dejar entrar la
mezcla de combustible, atraído por el
vacío
• Con las válvulas cerradas el pistón
comienza a subir hasta llegar de nuevo a
su extremo superior comprimiendo la
mezcla de aire y combustible.
• Con la cámara de combustión llena de
mezcla y las válvulas aún cerradas se
genera una detonación bien iniciada por
una chispa eléctrica.
• La fuerza generada por la explosión
obliga a bajar al pistón.
• En el último de los cuatro tiempos del
motor es cuando se abren las válvulas de
escape y los gases producidos por la
detonación se evacúan empujados por la
subida del pistón.
AHORRO DE
ENERGIA EN
motores de
combustión interna
Como mejorar el
rendimiento de un motor de
combustión
• Su finalidad es optimizar la eficiencia del
proceso de combustión de los combustibles.
• -Modificar la relación de compresión
• -Mejorando el proceso de combustión mediante
la optimización.
•
•
•
Mejorando la evacuación de gases
Puliendo los conductos para mejorar el flujo
Sobrealimentación:
• Se encarga de sumarle potencia al motor
aprovechando la presión del aire que sale por el
escape.
• Para ello, una turbina colocada en el escape se
conecta a otra, y juntas empujan aire comprimido al
cilindro.
• Para esto es necesario colocar un intercambiador de
calor, el cual enfriara el aire antes de entrar al motor.
Son rodamientos montados que son
usados para brindar apoyo a ejes de
rotación. Este tipo de cojinetes son
colocados en línea paralela al eje del
árbol.
• Es el agua a la cual se le quitan los minerales y las
sales.
• Se utiliza cuando se requiere agua con bajo contenido
en sal o baja conductividad.
• Algunos ejemplos de su uso son:
•
•
•
•
•
Agua de alimentación de la calderas
Usos farmacéuticos
Industria de la electrónica
Usos alimenticios
Usos industriales
• El cárcamo es un contenedor que se instala
bajo tierra, su funcionalidad varia según el
objetivo para el que es utilizado.
• Un cárcamo de bombeo es utilizado para
impulsar todo tipo de agua que se almacena
en su interior, ya sea de origen residual,
pluvial o industrial.
•
Es un instrumento de medida de la presión en
fluidos (líquidos y gases) en circuitos cerrados.
•
Lo que hacen es comparar la presión atmosférica
con la de dentro del circuito por donde circula al
fluido.
Instrumento que permite
realizar la medición de
la presión cuando ésta
resulta
menor
a
la
presión de la atmósfera.
Los precalentadores regenerativos
tienen como finalidad incrementar
la
temperatura
del
aire,
efectuando una transferencia de
calor contenido en los gases a su
paso por las canastas del
precalentador y cederla al aire que
circula a través del mismo en otro
sentido para incrementar la
eficiencia de la caldera.
REFERENCIAS
BIBLIOGRAFICAS
https://metalcast.com.mx/2020/08/28/calderas-que-son/
https://www.gemlsa.com/como-funciona-una-caldera
https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/104064/Barrera%3BBetoret%3BCastell%C3%B3%20%20Aspectos%20b%C3%A1sicos%20relacionados%20con%20el%20funcionamiento%20de%20una%20caldera.
pdf?sequence=1#:~:text=Una%20caldera%20es%20un%20recipiente,por%20encima%20de%20la%20atmosf%C
3%A9rica.
https://www.babcock-wanson.com/es/productos/calderas-de-vapor-industriales/calderasacuotubulares/#:~:text=Normalmente%2C%20las%20calderas%20acuotubulares%20se,ambos%20calder%C3%
ADnes%20y%20un%20sobrecalentador
https://www.babcock-wanson.com/es/categoria-producto/calderas-de-vapor-pirotubulares/
https://es.scribd.com/document/400334355/4-5-ahorro-de-energia-en-maquinas-termicas#
https://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/boiler-energy-saving-tips.html
https://www.grundfos.com/mx/learn/ecademy/all-courses/boiler-systems/the-economiser-saving-energy-in-boilersystems
https://teams.microsoft.com/_#/pdf/viewer/teamsSdk/https:~2F~2Ftecnmlapaz.sharepoint.com~2Fsites~2FMAQUINASYEQUIPOSTERMICOSI
MATUTINO2~2FDocumentos%20compartidos~2FUnidad%203%20Turbinas%20de%20vapor~2FTURBINAS%20DE%20VAPOR.pdf?thr
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TUTINO2&fileId=ec802bd5-7096-486f-8707-e5479c55100e&ctx=openFilePreview&viewerAction=view
https://inevid.blogspot.com/2014/01/Turbinas-de-vapor-tipos-caracteristicas-y-clasificacion.html
https://comercialfoisa.com/intercambiador-de-calor-funcionamientotipos-yeficiencia/#:~:text=Para%20operar%2C%20el%20intercambiador%20de,permite%20el%20intercambio%20de%20calor.