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

1Calderas
3
La caldera es un equipo donde se transfiere la energía obtenida en la combus-
tión 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
CALDERAS

MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS
4
- 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)
Qc = cc · tc [1]
Donde:
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)
Qa = Ga · cpa · Δt [2]
Donde:
Δt = Diferencia de temperaturas del aire caliente y frío [ºC]
cpa = Calor específico del aire [kcal/kg aire ºC] Se obtiene en la
Tabla 23
Ga = [kg aire/ Ud. de combustible] Se obtiene de las Tablas de 1 a 5
4. Calor del fluido de entrada (Qfe)
Qfe = hfe
Donde
hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg]
Tc
Diferencia de temperaturas del aire de entrada a la caldera y de referencia (ºC)
Qfe = hfe x Ca
b
Ca = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h)
b = consumo horario de combustible

1Calderas
5
Calor saliente
1. Calor del fluido de salida (Qfs)
Qfs = hfs
Donde
hfs = Entalpía del fluido de salida [kcal/kg]
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 =
[ ]
[ ] [ ]
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
− 000.1100.321
21
2
CHCO
O
[% de pérdidas sobre el
PCI del combustible] [4]
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)
Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach
Qfe = hfs x Pv
b
hfs = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg)
Pv = Producción de vapor (kg / h)
b= consumo horario de combustible

6
1. Calor por purgas (Qp)
Qp =
b
hp p·
[kcal/unidad de combustible]
[5]
Donde:
p = Caudal de purgas en kg/h
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.
P · a = A · b + P · b
ba
bA
P
−
=
·
[kg/h]
Donde:
P = Caudal de purga [kg/h]
a = Salinidad total en la caldera [ppm]. Se mira en 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.
[5]
5.
PRESION
[kg/cm2
]
SALINIDAD
TOTAL EN
CO3Ca [mg/l]
SILICE
EN
SiO2 [mg/l]
SOLIDOS EN
SUSPENSION
[mg/l]
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
CALDERAS
ACUOTUBULARES
70-100 1.000 15 20 350
Norma UNE-9075 para calderas acuotubulares
.
.
Se obtiene de

1Calderas
7
6. Calor por radiación (Qr)
El calor perdido por radiación se calcula midiendo la temperatura y la super-
ficie 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 mul-
tiplicamos 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:
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
p
PRESION
[kg/cm2
]
SALINIDAD
TOTAL EN
CO3Ca [mg/l]
SILICE
EN
SiO2 [mg/l]
SOLIDOS EN
SUSPENSION
[mg/l]
CLORUROS
EN
Cl [mg/l]
0-15 7.000 100 300 3.000CALDERAS
PIROTUBULARES 15-25 4.500 75 300 2.000
Norma UNE-9075 para calderas pirotubulares
Qr =
b
hKcal /
[kcal/unidad de combustible] [6]

8
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
Qco = PCI = 9.000 kcal/Nm3
De modo que el calor entrante o aportado es:
Qentra = 9.000 kcal/Nm3
· 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/Nm3
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 =
000.1
500
100.3
500
221
21

1Calderas
9
- Calor por purgas, Qp
De la Tabla 16 se obtiene la entalpía de la purga correspondiente a 20 kg/cm2
hp = 215,9 kcal/kg
- Calor por radiación, Qr
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
Qig = 0,73% de 9.000 kcal/Nm 3
= 65,7 kcal/Nm3
Qp =
añoNm
kgkcalañohhkg
/000.000.13
/9,215/500.7/200.1
3
⋅⋅
= 149,6 kcal/Nm3

10
El balance queda de la siguiente forma:
3. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA
El rendimiento de una caldera puede calcularse por dos métodos:
- Método directo
Donde:
PV = Producción de vapor [kg/h]
HV = Entalpía del vapor [kcal/kg]
hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg]
PCIb
hHP feVV

1Calderas
11
b = 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 con-
sumo 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, pro-
duce 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.
- Método indirecto
Si se desconoce la producción de vapor o el consumo de combustible se apli-
ca este método, también conocido como método de las pérdidas separadas.
De la Tabla 16 se obtiene la entalpía del vapor saturado a 7 kg/cm2
659,5 kcal/kg
100
/000.9/000.850.3
/205,659/600.7/000.6
33
NmkcalañoNm
kgkcalañohhkg
=......................84,1%84,1%
APORTADO
UTIL
Q
Q
Como: QUTIL = QAPORTADO - QPERDIDAS

12
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%
CO2 = 10%
CO = 0 ppm
THUMOS = 185 ºC
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 ten-
drá:
APORTADO
PERDIDAS
APORTADO
PERDIDASAPORTADO
Q
Q
Q
QQ
1
QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION [kcal/Ud. de combustible]
QAPORTADO = PCI [kcal/ unidad de combustible]
Qhumos = 16,3 kg/Nm3
· 48,037 kcal/kg= 783 kcal/Nm3
Qpurgas + Qradiación = 0,05 · 9.000 = 450 kcal/Nm3
100
000.9
450783
1 = 86,3%

1Calderas
13
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 utili-
zan 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 rendimien-
to de la caldera antes (n ci) y después (n cf) del ajuste de combustión.
El ahorro será:
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
cf
cicf
A
η
ηη −
=
cfη ciη

14
b) Sustituir los quemadores
c) Instalar microprocesadores de combustión, controlando:
O2
O2 + CO
O2 + 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%
CO2 = 7,4%
CO = 0 ppm
THUMOS = 200 ºC
Con la Tabla 12 se obtiene:
21,7 kg/Nm3
52,4 kcal/kg
Analizador de combustión.
Cortesía de TESTO

1Calderas
15
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 cal-
dera es:
Se realiza un ajuste manual de la combustión y se obtiene el siguiente resul-
tado:
O2 = 2,5%
CO2 = 10,5%
THUMOS = 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:
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 econó-
mico de:
Ahorro económico = 54.872 €/año
η = 1-0,126-0,05 = 0,824 = 82,4%
η = 1-0,095-0,05 = 0,855 = 85,5%
A = 100
5,85
4,825,85
⋅
−
= 3,63%

16
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 des-
pués de la mejora.
Normalmente, estos rendimientos se calculan por
el método indirecto.
Donde:
QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION
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 gene-
rar 9 t/h a 10 kg/cm2
. El análisis de la combustión tiene el siguiente resultado:
PCI
QPERDIDAS
1
f
if
A

1Calderas
17
O2 = 3%
THUMOS = 200 ºC
Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 16,3 kg/Nm3
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/Nm3
). El resto de pérdidas se estiman en un 6% (pérdidas por inquemados,
radiación y purga).
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 tempera-
tura 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
η = 1-0,0969-0,06 = 0,8431 = 84,31%

18
Ahorro energético = 809.302 kWh(PCS)/año
mico de:
PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN
El empleo de esta medida de ahorro energético tiene como fin el aprovecha-
miento del calor residual de los humos de combustión de la caldera para el pre-
calentamiento del aire que será empleado en dicha combustión.
Precalentador de Aire.
Cortesía de KALFRISA
η = 1-0,087-0,06 = 0,853 = 85,30%
A = 100
30,85
31,8430,85
⋅
−
= 1,16%

1Calderas
19
El uso de precalentadores de aire en calderas, dado el bajo coeficiente glo-
bal 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 tra-
vés 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:
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 con-
sume 10.000.000 Nm3
/año. El análisis de la combustión tiene el siguiente resul-
tado:
O2 = 4%
THUMOS = 210 ºC
Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 17,1 kg/Nm3
56kcal/kg
PCI
QPERDIDAS
1
f
if
A
η
ηη −
=

20
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/Nm3
). El resto de pérdidas se estiman en un 6%.
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
η = 1-0,1064-0,06 = 0,8336 = 83,36%

1Calderas
21
Que equivalen a un 9% del calor aportado
mico de:
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 sóli-
dos en el agua que queda, lo que provoca problemas impor-
tantes.
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 tan-
que 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
Donde:
Q = Calor recuperado del condensado o purga
n = Rendimiento de la caldera
PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible
η = 1-0,09-0,06 =0,85 = 85%
A = 100
85
36,8385
⋅
−
= 1,93%
combudkcalPCI
añokcalQ
A
./
/
η

22
Ejemplo: Recuperación del calor de purgas mediante expansión en un tan-
que flash.
Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.000 h/año con un rendi-
miento del 85%, produce 14 t/h de vapor a 12 kg/cm2
. Se realiza una purga con-
tinua 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:
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:
Ahorro energético = 339.151 kWh
(PCS)/año
Que equivalen a 26,25 tep/año
PV =
( )
( ) año
h
kg
kcal
kg
kcal
h
kg
000.7
4,1331,650
4,1337,189450
⋅
−
−
= 343.226 kg/año
A =
3
000.985,0
220.131.223
Nm
kcal
año
kcal
= 29.167 Nm3
/año

1Calderas
23
mico de:
CALORIFUGADO DE TUBERÍAS Y TANQUES
El ahorro producido por el calorifugado de las
tuberías y tanques se realiza calculando la diferen-
cia de pérdidas de calor entre los elementos des-
nudos 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.
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 calori-
fugados se calculan por el ábaco del
suministrador del aislamiento.
Para el cálculo de las pérdidas en tan-
ques y depósitos se utilizan las Tablas 38
y 39 del Anexo.
El ahorro será:
Donde:
combud
kcal
PCI
año
h
H
h
kcal
A
.

24
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 exte-
rior de los tubos es de 120 º C y la temperatura ambiente es de 20 ºC. El ren-
dimiento 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
Qtubos = 3 m · 280 kcal/m h = 840 kcal/h
Qválvulas = 4 · (1,8 m · 280 kcal/m h) = 2.016 kcal/h
QTotal = 2.856 kcal/h
Se procede a colocar un aislamiento de 25 mm en las tuberías y en las válvu-
las de forma que el calor perdido en ellos será el calculado en los ábacos de los
Δ = Diferencia de pérdidas calorifugado y desnuda
H = Horas de funcionamiento al año
η = Rendimiento de la caldera

1Calderas
25
suministradores (Se va a suponer que las pérdidas dadas por el suministrador
son de 10 kcal/m h):
Qtubos = 3 m · 10 kcal/m h = 30 kcal/h
Qválvulas = 4 · (1,8 m · 10 kcal/m h) = 72 kcal/h
QTotal = 102 kcal/h
mico 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 elimi-
nar 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
A =
( )
3
000.985,0
200.7102856.2
Nm
kcal
año
h
h
kcal
⋅
⋅−
= 2.592 Nm3
/año
( )1··· 2
+= PPdKQ

26
También puede emplearse la Tabla 45 para el cálculo del caudal de vapor per-
dido a través de las fugas.
El ahorro de energía por eliminar las fugas de vapor será:
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 específi-
ca de vapor de 12 kg/Nm3
a 8 kg/cm2
de presión.
De acuerdo con la Tabla 45 el caudal de vapor perdido será:
X
HQ
A
×
= [ud. combustible/año]

1Calderas
27
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:
Que equivalen a = 209 tep/año
mico de:
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 efi-
ciencia es una correcta instalación. Una vez com-
probado esto, hay que establecer, como objetivo
prioritario, un mantenimiento adecuado del mismo.
Purgador de vapor
Cortesía de Spirax Sarco
A =
3
12
000.5558
Nm
kg
año
h
h
kg
= 232.500 Nm3
/año232.500 Nm3
/año

28
Si Q es el caudal del vapor que se pierde por los purgadores, el ahorro ener-
gético por eliminar dicho defecto será:
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 pro-
ducción de vapor de 12 kg/Nm3
.
El ahorro por eliminar las fugas de vapor será:
mico de:
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 gene-
rar vapor y nuevos condensados a una presión inferior. Estos nuevos condensa-
dos pueden ser expansionados nuevamente en otro tanque y así sucesivamente.
X
HQ
A
×
= [ud. combustible/año]
A =
3
12
000.740
Nm
kg
año
h
h
kg
⋅
= 23.334 Nm3
/añoA =
3
12
000.740
Nm
kg
año
h
h
kg
⋅
=

1Calderas
29
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:
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:
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:
[ ]
[ ]ecombustibldeUdkcalPCI
añokcalQ
A
./
/
×
=
η
Q = Calor recuperado del condensado
PV =
kg
kcal
kg
kcal
h
kg
7,1434,653
7,1436,200450
= 50,23 kg/h
A =
3
000.985,0
500.732.824
Nm
kcal
año
h
h
kcal
= 32.180 Nm3
/año

30
que supondrá un ahorro de:
mico de:
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 condensa-
do del tanque flash se puede recuperar en un intercam-
biador 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 des-
censo 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:
PCI
HH
X CV −
=η
X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible]
HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg]
PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [kcal/ud. combustible]
F
IF
X
XX
A
−
=

1Calderas
31
Donde:
XF = Producción específica de vapor después de la mejora
XI = Producción específica del vapor antes de la mejora
A x 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 encuen-
tra presurizado y se utiliza una bomba de alimentación a caldera capaz de tra-
bajar a dicha presión.
El ahorro se calcula aplicando el mismo método que A pero HC será la ental-
pía 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 expansio-
nándolo 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 recupera-
ción 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

32
Este conjunto aporta las ventajas siguientes:
- Al enviar el condensado directamente a la caldera desaparecen las pérdi-
das por revaporización, con lo que hay un ahorro importante de combusti-
ble.
- El hecho de no pasar por el depósito de condensados, tener toda la insta-
lación a presión y de existir una desaireación continua, mejora el coeficien-
te de transmisión en los aparatos consumidores de vapor, acorta los tiem-
pos 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 teórica-
mente innecesaria y bastaría una pequeña purga cada dos días para mante-
ner 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 cal-
dera se calcula aplicando la siguiente fórmula:
PCI
HH
X CV

1Calderas
33
Por lo que:
Si el consumo anual de combustible es de 19.203.810 kWh(PCS)/año, el aho-
rro obtenido es de:
mico de:
COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESIÓN
Para instalaciones que precisen vapor a dife-
rentes 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 proce-
so y otra parte a una turbina de vapor. De esta
turbina se pueden hacer extracciones a las pre-
siones que se requiera que esté el resto del vapor
del proceso.
Turbina de vapor. Cortesía ELCOGAS
X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible]
HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg]
PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [kcal/ud. combustible]
3
0009
841656
860
Nm/kcal.
kg/kcal,
X, X = 12,6 kg/Nm3
gas natural
El ahorro obtenido será:
612
1112612
,
,,
A = 3,9 %
( )

34
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 reali-
zarán extracciones a las presiones de trabajo requeridas. El rendimiento mecá-
nico de la turbina es del 97,5%.
La instalación quedaría del siguiente modo:
La potencia aprovechada en la turbina, suponiendo un rendimiento isoentró-
pico de 0,65, será:
Esta potencia podrá ser empleada en, por ejemplo, generación de energía
eléctrica. Si el rendimiento del alternador es del 96% la generación eléctrica
será:
P = 975,0
860
35,6288,666000.75,6348,666000.3
kWh
kcal
kg
kcal
h
kg
kg
kcal
h
kg
= 415 kW
E.E. = 96,0000.7415 ⋅⋅
año
h
kW = 2.788.800 kWh/año

1Calderas
35
CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN VENTILADORES DE
COMBUSTIÓN Y BOMBAS DE AGUA DE
ALIMENTACIÓN DE CALDERAS
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 posi-
ción 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.
Convertidor de frecuencia.
Cortesía de OMRON
La sustitución de estos sistemas convencionales por sistemas que realizan la
regulación de caudal, en base a la variación de velocidad de los motores eléc-
tricos de accionamiento por medio de conversores de frecuencia, evita esta pér-
dida 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 con-
sumo 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

36
La caldera trabaja 7.500 h/año:
- 5.000 h/año lo hace a un 50% de carga
Como el caudal es de la forma Q = K · N, para la carga al 50% se puede rela-
cionar:
Como la potencia es de la forma P = K · N3
, para la carga al 50% se puede rela-
cionar:
Operando de la misma manera para una carga de 15%:
El ahorro de energía obtenible sería:
A. Energético = 170.454 kWh/año
Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro eco-
nómico de:
174,2
500.11
000.25
·
·
2
1
2
1
2
1
N
N
NK
NK
Q
Q
275,10174,2
3
2
1
3
2
1
3
2
3
1
2
1
P
P
N
N
N
N
P
P
kWP
P
P
866,4
275,10
50
275,10 2
2
1
En el caudal 33,8
000.3
000.25
3
1
3
1
N
N
Q
Q
En la potencia
3
3
3
3
1
3
1
33,8
N
N
P
P
Luego, kWP 0865,0
33,8
50
33

1Calderas
37
Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para la bomba de ali-
mentación de caldera.
En la bomba de alimentación de una caldera se han medido los parámetros
siguientes:
La caldera trabaja 7.500 h/año:
En base a la curva característica de la bomba de agua de alimentación de la
caldera se tiene:
La potencia absorbida en la situación actual y teniendo en cuenta el variador
de velocidad, para caudales iguales:
% Carga
Potencia absorbida
[kW]
50% 25
10% 20
Carga de la caldera 50%
Caudal de agua 15 m3
/h
Actual H1 = 25 kg/cm2
Previsto (con variador de
velocidad)
H2 = 15 kg/cm2
1
1
1
··10
η
HQ
P =
2
2
2
··10
η
HQ
P =
12
21
2
1
·
·
η
η
H
H
P
P
=
9,0
1
2
=
η
η
,
12
2
1
·67,09,0·
15
25
PP
P
P
=⇒=
- Al 50% de carga:
P2 = 0,67 · 25 = 16,75 kW
- Al 10% de carga:
P3 = 0,67 · 20 = 13,4 kW

38
El ahorro de energía obtenible sería:
A. Energético = 57.750 kWh/año
Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro eco-
nómico de:
SUSTITUCIÓN DE UNA CALDERA ELÉCTRICA POR 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.
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 esta-
do 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 térmi-
ca 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 pre-
sión 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

1Calderas
39
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:
A. Económico =
kWh
c
año
kWh
kWh
c
año
kWh €
3,2711.159.4
€
8,7300.303.3 = 161.984 €/año

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