auditoria energetica_corregido

7/30/2019 auditoria energetica_corregido

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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERIA MECNICA

TRANSFERENCIA DE CALOR I

PROYECTO DE AUDITORA ENERGTICA DEL CALDERO

DEL LABORATORIO DE TERMODINMICA DE LA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

INTEGRANTES:

EDISON TQUERES

LUCIA RAMOS

FECHA DE ENTREGA:

07-MAYO-2013


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Contenido1. Auditoria Energtica ......................................................................................... 3

1.1. Introduccin ................................................................................................ 3

1.1.1. Auditora Energtica ............................................................................ 3

1.1.2. Auditoria Energtica de un caldero ...................................................... 31.1.3. Cuantificacin de prdidas de calor ..................................................... 41.1.4. Factores para mejorar la eficiencia del caldero ................................... 4

2. Auditora ambiental .......................................................................................... 62.2. Factores a ser analizados en un monitoreo ambiental ............................... 7

2.3. Mtodos de Control de Contaminantes ...................................................... 7

2.3.1. Control de gases .................................................................................. 72.4. Marco Legal ............................................................................................... 7

2.5. Periodicidad de las auditoras ambientales ................................................ 8

3. Cmo se realiza una auditora energtica en un caldero? ............................. 83.1. Procedimiento ............................................................................................ 8

3.2. Caldera a ser auditada ............................................................................... 8

3.3. Esquema de instalacin ............................................................................. 9

3.4. Datos experimentales............................................................................... 10

3.5. Clculos ................................................................................................... 11

4. Resultados ..................................................................................................... 165. Bibliografa ..................................................................................................... 17


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1. Auditoria Energtica

1.1. Introduccin

1.1.1. Auditora Energtica

La auditora energtica detecta las prdidas de energa y a su vez permite identificarlugares en donde exista potencial de ahorro para poder realizar posibles mejorasenergticas y decidir sobre la oportunidad econmica de llevarlas a cabo. El trminoabarca un campo muy amplio en funcin de la profundidad con que se realice el estudio,pudiendo llegar a ser desde un simple informe del diagnstico energtico actual, hasta unestudio detallado de mejoras, que incluyen modificaciones y cambios importantes parareducir el consumo energtico.1

Se divide en las siguientes fases:

Recopilacin Inicial de Informacin Realizacin de Medidas y Toma de Datos Anlisis y Evaluacin del Estado Actual de la Instalacin Propuestas de mejoras Elaboracin de Informe de Resultados

Con la realizacin de la Auditoria Energtica se consigue:

Descripcin de las medidas ms aconsejables para mejorar el uso de la energa enlas industrias.

Ahorro energtico y monetario que se obtendra si se implantasen las medidaspropuestas.

1.1.2. Auditoria Energtica de un caldero

En relacin a los sistemas de generacin de vapor, la Auditora Energtica considera ladeterminacin de la eficiencia trmica de las calderas, la cuantificacin de las prdidas decalor principales, la verificacin del estado de conservacin y el anlisis de lascondiciones y procedimientos de operacin.La determinacin de la eficiencia trmica de una caldera permitir comprobar si existendiferencias respecto de los antecedentes entregados por el fabricante y la cuantificacinde las prdidas de calor ayudar a identificar las causas de las diferencias que pudierandetectarse en la eficiencia trmica.

La eficiencia del caldero se determina mediante la siguiente ecuacin:

Eficiencia de caldero = eficiencia de la combustin prdidas por (radiacin/conveccin/purgas)

Para un caldero normal la eficiencia se encuentra entre (75 y 80) %.

1 http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/4075/1/CD-3826.pdf


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Tabla1. Eficiencia tpica de calderas segn PCS. Adaptado de (CONAE, 2007)

1.1.3. Cuantificacin de prdidas de calor

Prdidas a travs de las paredes del caldero (radiacin).- Las constituyen el calorque se escapa a travs de la superficie de las paredes.

Prdidas en las purgas.- calor que se pierde al eliminar los slidos o impurezasdisueltos en el agua que se han acumulado en la caldera. Se estiman en un 2.5 %.

Prdidas por conveccin.- cuando se disipa calor por medio de fluidos con distintatemperatura. Se estiman en 1 %.

1.1.4. Factores para mejorar la eficiencia del caldero

Para incrementar la eficiencia del caldero se deben tomar en cuenta los siguientesfactores:

Temperatura del agua de alimentacin Evitar exceso de aire Precalentador de aire Evitar altas temperatura de los gases de combustin Combustin incompleta del combustible Minimizar Prdidas en las purgas Prdidas por escapes no controlados de vapor Tipo de combustible Buen aislamiento trmico para evitar prdidas de calor por conveccin y radiacin

en las paredes de la caldera.

Temperatura del agua de alimentacin

Por ejemplo si se colocan equipos de recuperacin del calor como precalentadores deagua conocidos como economizadores, ya que el agua que ingresa al caldero no debeestar fra ya que podra causar un desequilibrio en el funcionamiento del caldero,entonces es conveniente intercalar en la tubera un intercambiador que aprovecha el calorde los gases de combustin o el calor de una pequea cantidad de vapor producido.


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Evitar exceso de aire

Entre las causas ms comunes de bajas eficiencias en calderas figuran elevados excesosde aire, asociados y una excesiva temperatura de los productos de la combustin en lachimenea, lo que se relaciona con una deficiente regulacin de los quemadores. A modode referencia, por cada 10 % de mayor exceso de aire la eficiencia trmica de una caldera

disminuye en un 1,0 %.

Precalentador de aire

Otra manera de aprovechar el calor y mejorar la eficiencia es con un precalentador de aireya que la combustin con aire frio produce una llama de menor temperatura, alprecalentar el aire se obtiene una mayor temperatura de llama y se mejora el rendimientotermodinmico del caldero.

Evitar altas temperaturas de los gases de combustin

Una elevada temperatura de los productos de la combustin en la salida de la caldera se

debe, en general, al ensuciamiento del circuito de gases, incrustaciones en el lado agua osobrecargas trmicas. A modo de referencia, por cada 10 C de mayor temperatura desalida de gases, la eficiencia trmica de una caldera disminuye en un 0,5 %.La presencia de suciedad en el circuito de gases de una caldera, Por cada 1 mm deholln en el circuito de gases, la eficiencia trmica disminuir en aproximadamente un 3 %.

Minimizar la purga de la caldera

La minimizacin del nivel de purga puede sustancialmente reducir las prdidas deenerga, ya que la temperatura del lquido de purga es la misma que la del vaporgenerado en la caldera. Minimizando la purga tambin puede reducirse el agua depurgado y los costes de tratamiento qumico. Ya que el agua se evapora en el colector de

vapor de la caldera, los slidos presentes en el agua de alimentacin se quedan atrs.Los slidos suspendidos forman lodo o sedimentos en la caldera, que degrada latransferencia de vapor. Los slidos disueltos promueven la formacin de espumas y latransformacin del agua sobrante en vapor. Para reducir los niveles de slidossuspendidos y disueltos totales a unos lmites aceptables, el agua se descarga o purgaperidicamente de la caldera. La purga del fondo o lodos es usualmente un procedimientomanual hecho en unos pocos segundos en intervalos de varias horas. Est diseado paraquitar slidos suspendidos que se asientan el agua de la caldera y forman un lodopesado. La purga de superficie o espuma est diseada para quitar los slidos que seconcentran cerca de la superficie del lquido. La purga de superficie es a menudo unproceso continuo. Un purgado insuficiente puede llevar a un excedente de agua de lacaldera en el vapor, o la formacin de depsitos. Una purga excesiva derrochar energa,

agua, y productos qumicos. El nivel de purgado ptimo est determinado por variosfactores incluyendo el tipo de caldera, presin de operacin, tratamiento de agua, y aguade calidad o aporte. Los niveles de purgado van de 4% a 8% del nivel de caudal del aguade alimentacin de la caldera, pero puede ser tan alto como el 10% cuando el agua de lacaldera tiene un alto contenido de slidos.


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Retorno del condensado a la caldera

Cuando el vapor transfiere su calor en un proceso de fabricacin, en los intercambiadoresde calor, o serpentn de calentamiento, se vuelve a una fase lquida llamada condensado.Un mtodo atractivo de mejorar la eficiencia de energa de la planta es incrementar elretorno de condensado a la caldera. Retornando condensado caliente a la caldera

encontramos los siguientes beneficios: Cuando ms condensado retorna, se requieremenos aporte de agua, se ahorra combustible, agua, productos qumicos, y coste detratamiento. Menos condensado descargado al sistema de alcantarillado reduce loscostes de eliminacin o depuracin. El retorno de condensado de alta pureza tambinreduce las prdidas de energa debidas a la purga de la caldera. Tienen lugar ahorros decostes significativos cuanto ms condensado retorna a alta temperaturas (54,44 C a107,22 C), reduciendo la cantidad de agua fra de aporte (10 a 15,55 C) que debe sercalentada. Un clculo simple indica que la energa en el condensado puede ser ms del10 % del contenido de energa del vapor total de un sistema tpico. La siguiente grficamuestra el calor restante en el condensado a varias temperaturas de condensado, para laoperacin de un sistema de vapor a 100 psig, con agua de aporte a 12,77 C.

Conjuntamente con la auditora energtica se suele realizar una auditora ambiental, y alser un facto muy importante, a continuacin se explica brevemente lo que implica, paraluego continuar con la auditora energtica y la explicacin de los clculos a realizarse.

2. Auditora ambiental

Es el conjunto de mtodos y procedimientos que tiene como objetivo la determinacin decumplimientos o conformidades e incumplimientos o no conformidades de elementos de lanormativa ambiental aplicable y/o de un sistema de gestin, a travs de evidenciasobjetivas y en base de trminos de referencia definidos previamente.

En base a las Disposiciones Transitorias del Reglamento a la Ley de Gestin Ambiental

para la Prevencin y Control de la Contaminacin, establece que Las actividades oproyectos que se encuentren en funcionamiento y que no tienen un estudio de impactoambiental aprobado, debern presentar una Auditora Ambiental Inicial de cumplimientocon las regulaciones ambientales vigentes ante la entidad ambiental de control. La

Auditora Ambiental Inicial debe incluir un plan de manejo ambiental, la AA inicial o EIA Expost cubre la ausencia de un EIA.

Que de conformidad con la Ley de Gestin Ambiental y el Texto Unificado de LegislacinAmbiental Secundara TULAS, especialmente el Libro VI de la Calidad Ambiental elMinisterio del Ambiente es responsable de

Auditora de Gestin a Instituciones acreditadas ante el Sistema nico de Manejo

Ambiental SUMA)

Revisin y evaluacin de Auditora Ambiental del cumplimiento (AAC) del Plan deManejo Ambiental aprobado de proyectos de desarrollo sustentable que tienen deLicencia Ambiental.

Revisin y evaluacin de Auditora Ambiental Inicial (AAI) o Estudio de ImpactoAmbiental Expost (EIAexpost) de las actividades o proyectos que se encuentren enfuncionamiento


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Revisin y evaluacin de los Trminos de Referencia para la ejecucin de las AAC yEIAexpost. Seguimiento, monitoreo y control del Plan de Accin del levantamiento deno conformidades establecidas en la Auditora Ambiental al cumplimiento del PMA

2.2. Factores a ser analizados en un monitoreo ambiental

Temperatura: gases de salida, paredes laterales, espejo Eficiencia de combustin Slidos totales disueltos Gases de combustin Nmero de humo Adopcin de medidas (control: aumento de eficiencia de trabajo del equipo,

prevencin: contaminacin) Control de olores Calidad de aire de interiores Contaminacin por ruido

2.3. Mtodos de Control de Contaminantes

2.3.1. Control de gases

Los contaminantes gaseosos originados por muchos procesos industriales pueden serde composicin orgnica, por ejemplo compuestos orgnicos voltiles, o inorgnicos,xidos de nitrgeno, xidos de azufre. Entre las tcnicas de tratamiento de lasemisiones gaseosas, se encuentran la adsorcin, absorcin, la condensacin y laincineracin.

Existen tcnicas para reducir las emisiones gaseosas, y estas son:

La limpieza del combustible, a travs de la desulfuracin que elimina el azufrepresente en el carbn y desnitrificacin que se usa para controlar las emisiones dexidos de nitrgeno.

Sustitucin del combustible, que sirve para reducir las emisiones de xidos de azufre yxidos de nitrgeno, se pueden utilizar adems combustibles o fuentes de energaalternativa, tales como la energa hidrulica, la energa solar, energa elica ygeotrmica.

Modificaciones de los procesos, debido a que la mayora de emisiones gaseosas sonel producto de una combustin, es necesario encontrar la posibilidad de mejorar laeficacia de los procesos, tal vez disminuyendo el exceso de aire, la recirculacin delgas de chimenea.

2.4. Marco Legal

Ley de Gestin Ambiental Texto Unificado de Legislacin Ambiental Secundaria TULAS


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Libro VI de la Calidad Ambiental , Titulo I del Sistema nico de Manejo AmbientalSUMARAOH, RAAM Y RAAE

2.5. Periodicidad de las auditoras ambientales

La primera vez al ao de emitida la Licencia Ambiental y posteriormente cada dosaos durante la vida til de Proyecto (TULAS).

Al finalizar la obra o actividad del proyecto (meses) Cada ao para proyectos mineros (RAAM). Cada dos aos para proyectos hidrocarburferos (RAOH). Cada ao para proyectos elctricos (RAAE)

3. Cmo se realiza una auditora energtica en un caldero?

Los parmetros que se miden en un caldero para una auditoria energtica son lossiguientes:

Temperatura: gases de salida, paredes laterales, espejo, evaporado, condensado,agua de alimentacin.

Eficiencia de combustin Slidos totales disueltos Composicin Gases de combustin

3.1. Procedimiento

A manera de ejemplo se realiz la auditoria del caldero que opera en el laboratorio deTermodinmica ubicado en la Facultad de Ingeniera Mecnica de la Escuela PolitcnicaNacional de la siguiente manera:

Con el caldero en operacin se procedi a realizar las siguientes mediciones:

Se tomaron las temperaturas cada cinco minutos, de las paredes laterales, espejo y caradel caldero, todo esto con la ayuda de una termocupla. Y con un termmetro sedeterminaron las temperaturas del agua de alimentacin, vapor y condensado de salida.Luego se procedi a determinar el nmero de humo, colocando el equipo a la salida delos gases de combustin, bombeando siete veces, para luego ser comparado conestndares.Finalmente con la ayuda de un pitot se hizo un barrido total del tubo de la chimenea paradeterminar el flujo del gas de combustin.

3.2. Caldera a ser auditada


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3.3. Esquema de instalacinChimenea

Pared APared B

Espejo

Cara

Figura N 3 Esquema de instalacin


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3.4. Datos experimentales

Tabla N 1 Especificaciones del caldero

CALDEROFabricante Cristbal Mayorga e HijoTipo Caldero acuatubularCapacidad mxima 20 BHPrea de calentamiento 10.8 m2Tipos de tubos 2 de dimetro y 2 m de longitudNumero de tubos 35Combustible DieselConsumo mximo dediesel

6 galones por hora

Aislamiento Lana de vidrioAltura del caldero 2.205mDimetro de lachimenea

24cm

Dimetro del caldero 1.01mAccesorios

Quemador de combustibleMedidor y controlador detemperaturaMedidor y controlador de presinChimeneaManmetros

Tabla N 2 Temperaturas de las paredes del caldero, vapor, condensado y agua de reposicinpara los dos tiempos de 25min en que el caldero esta encendido

Caldero en funcin 1ertiempo de 25 min 2do tiempo de 25 min

Temperaturas 1 2 3 4 5 6 7 8 9

TPared A [C] 55 60 50 46 48 47 51 59 69

TPared B [C] 51 57 57 43 45 50 49 50 55

TEspejo [C] 109 110 115 106 101 97 126 116 127

TCara [C] 140 180 207 193 139 125 194 180 157

TReposicin [C] 70 63 78 -- 73 70 75 -- --

TVapor[C] 90 93 90 -- 91 90 92 -- --

TCondensado [C] 55 65 67 -- 66 64.5 66.5 -- --

TAlimentacin [C] 17 17 17 17 17 17 17 17 17

Tabla N 4 Datos de los anlisis realizados en el agua dealimentacin y el agua del caldero

Sitio TDS PHAgua de alimentacin 157.5 7.35Agua de caldero 332.5 9.6


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Tabla N 5 Datos obtenidos del numero de humo yde presin en los gases de la chimenea

Presin [inH2O] Numero dehumo

0.01 2

NOTA: Los datos fueron obtenidos para un tiempo total de 3 horas

3.5. Clculos

Eficiencia de la combustin

A partir de los datos de la tabla N 3 se puede obtener la eficiencia promedio de lacombustin para los dos tiempos en el que el caldero permaneci encendido.

%55.832

%36.83%73.83

%

Eficiencia

Perdidas por radiacin

totaltiempo

encendidoestacalderoelqueelentiempocargadeFactor

14.0hr3

60min

1hr25min

cargadeFactor

Perdidas por radiacin a MCR para este tipo de caldero = 2

cargadeFactor

MCRaPerdidadradiacionporPerdidas

29.140.14

2radiacionporPerdidas

Perdidas por conveccin

Se determina las perdidas por conveccin, por las paredes del caldero, determinando

una temperatura de pared y ambiente promedios para los dos tiempos en el que elcaldero permaneci encendido

)T(TAhQ P

Calculo de TA promedio para el primer tiempo de 25 min


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12

C75.524

46506055T 1PromedioA

Calculo de TA promedio para el segundo tiempo de 25 min

C8.545

6959514748T 2PromedioA

Calculo de TA promedio entre los dos tiempos de 25 min

C78.532

8.5475.52T 2-1PromedioA

De esta manera se obtiene una temperatura de A promedio para las dos tiempos deencendido y de igual forma se determina una temperatura de B promedio para los dostiempos. Con estas dos temperaturas promedios de A y B se puede obtener una

temperatura de pared del caldero.

2

TTT 2-1PromedioB2-1PromedioApared

C34.522

9.5053.78Tpared

Calculo de T (ambiente) promedio para los dos tiempos en el cual permaneciencendido el caldero

C15.222

2222.3T

Determinacin del coeficiente de conveccin natural en espacio abierto a unatemperatura film

C25.372

34.5215.22

2

TTT

pared

Film

Determinacin de las propiedades a la temperatura film (folleto N 1 de calor)


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13

0032.025.310

11

027.0

706.0Pr

102

14.1

5

3

filmT

Cm

wK

ms

kg

m

kg

Se determina la ecuacin a utilizar para el clculo del coeficiente de conveccin atravs del producto de Gr Pr

10

25

23

2

23

10322.3)102(

0032.08.914.1)15.2234.52(205.2gTLGr

1010

10345.2706.0103.322PrGr

Con el valor obtenido de Gr Pr se determina que se debe usar la siguiente ecuacin.31

Pr)(Gr0.13Nu

1.372)10(2.3450.13Nu 31

10

Cm

w

55.4

205.2

027.01.372

L

KNuh

2Pared

W.07.961)15.2234.52(205.201.155.4)T(TAhQ Ppare dparedpare d De esta manera se obtiene tambin las perdidas por la cara y espejo. Obtenindosede esta manera el calor total perdido por conveccin

caraespejopare dconveccion QQQQ W2015907.84147.08961.07Qconveccion

Para la determinacin del porcentaje de perdidas por conveccin, se debe hallar uncalor total generado por la combustin. Este calor se lo puede determinar a travs dela generacin de vapor producido, esta generacin es determinada en los siguientesclculos.

Porcentaje de perdidas de energa por purgas

onalimentaciaguaTDS-calderoaguaTDS

onalimentaciaguaTDSpurgasdeRazon


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14

9.0157.5-332.5

157.5purgasdeRazon

onalimentacideaguadeentalpia-vapordeentalpia

/100)eficiencia)(%calorificoe)(podercombustiblde(consumovapordeGeneracion

Consumo de combustible = 3 galones por hora

Poder calorficoPara la obtencin de este valor se necesita saber la composicin de azufre en elcombustible (FUEL OIL N 2 33 API). Esta composicin fue hallada en el Manuel dePerry volumen 2 junto con un nomograma para la obtencin del poder calorficocomo se indica a continuacin:

Tabla N 6 Composicin del diesel

Figura N 4 calor deCombustin de

combustibles

Con los 33 API y 0.22% azufre se obtuvo en grafico N 4 que el poder calorfico es:

gal

Btu139000Pc

Determinacin de las entalpas

La entalpa de vapor se determina a una temperatura media que es de Tvapor = 91Ccomo se ha indicado en clculos anteriores. En tablas se encuentra que las entalpasdel liquido y vapor a esa temperatura es de hvapor=1144.22 Btu/lb y hliquido=163.77Btu/lb

Composicin Fuel oil N 233API(Diesel)

Carbono 87.3Hidrogeno 12.6Oxigeno 0.04Nitrgeno 0.006

Azufre 0.22Ceniza


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La entalpa del agua de alimentacin se determina a una TAlimentacion= 17 C. en lastablas se determina que la entalpa es de hagua alimentacin= 30.68 Btu/lb

hrkg92.141

hrvaporlb88.312

lbvapor

Btu30.68-1144.22

8355.0

gal

Btu139000

hr

gal3

vapordeGeneracion

Cantidad de purga= (razn de purga) (generacin de vapor)

Cantidad de purga= (0.9) (141.92 kg/hr)

hr

kg127.73purgadeCantidad

)inferiorcalorificopoder)(ecombustibldeconsumo(

purgas)encalordentenidopurgas)(code(cantidadpurgasporPerdidas%

El contenido de calor en purgas se determina entre la temperatura de alimentacin delagua y la temperatura del agua de reposicin media.

)TT(Q

onalimentacirepsicion.

purgasen aguamedio

agua

Cpm

Kg

kJC

Ckg

kJ

magua

48.227)1771.5(.

174.4Q purgasen

Determinacin del poder calorfico inferior del combustible

S258

O-H290C84Pci

kg

kcal10688.90.2225

8

0.04-12.629083.784Pci

Consumo de combustible

gal

kg

m

kg26.38605.131s

141.5335.131s

141.5API 3diesel

hr

kg

gal

kg77.93.26

hr

gal3ecombustibldeconsumo


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16

%65.6100

kg

kcal10688.977.9

kg

kcal54.3373..127

purgasporPerdidas%

hr

kg

hr

kg

Como ya se pudo determinar la cantidad de vapor generado ahora si se puedeobtener el porcentaje de perdidas por conveccin

vaporv-ltotal mQ

kg

kJ

lb

Btuh 62.228049.98077.16322.1144h liquidovaporv-l

KWs

hr

hr

kg

Kg

kJ.91.89

3600

192.14162.2280Q total

100Q

QconveccionporPerdidas%total

conveccion

%24.2100W89910

W2015conveccionporPerdidas%

Eficiencia neta del caldero

Eficiencia neta = eficiencia de la combustin PrdidasEficiencia neta = 83.55 - 14.29 2.24 6.65 = 46.37 %

4. Resultados

Tabla N 7 Resultado de las temperaturas medias para los clculosPertinentes

Tcara[C]

Tpared[C]

Tespejo[C]

Treposicin[C]

Tvapor[C]

Tcondensado[C]

169.5 52.34 111.7 71.5 91 64

Tabla N 8 Resultados obtenidosPerdidas PorcentajeRadiacin 14.29Conveccin 2.24Purgas 6.65Eficiencianeta

46.37


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5. Bibliografa

Pgina: http://www.thermal.cl/AuditoriaEnergetica.pdf Autor: MarcoParedes

Pgina:http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:Ho-5McA-Rz8J:www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_13_QUI03.pdf+eficiencia+de+una+caldera&hl=es&pid=bl&srcid=ADGEESgQI8-k5WuMekRYxNwspO_gqoewMVHgmAttJ1qPyiS3dkMyj3ehsrf6lPrSHXSsB8OR-7vS19y93dRYWFpHLprXO3pDhz8tsW2JZEecA3Y_4lGjDpl0AOW1VkyVb16f-fA2VlyJ&sig=AHIEtbS802PYjpf4WqaVuRxEYtwQ-2-Idw. Autor:Universidad de Mxico.

http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/4075/1/CD-3826.pdf

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