PowerPoint PresentationQuemadores
Tiene como objetivo liberar, en proporciones correctas y con
suficiente energía de mezcla, el combustible y el aire en la zona
de combustión.
Debe proporcionar una combustión completa, continua y con adecuada
forma de llama.
Básicamente pueden diferenciarse dos tipos de quemadores:
Standard.
Piloto
Motivado por el énfasis creciente sobre conservación de energía en
los últimos años, el interés por instalar equipos de
precalentadores de aire de combustión ha crecido. Este método de
recuperar calor de desecho es uno de los dos métodos principales
para optimizar la eficiencia térmica de equipos de combustión. El
consumo de combustible puede disminuir marcadamente mediante el
precalentamiento del aire de combustión.
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Quemador
Este es el esquema de un horno de procesos típico. El horno está
conformado por una chimenea, una sección de convección, una sección
de radiación, una superficie refractaria y quemadores. Se denomina
sección de escudo a las primeras filas de la convección. Estos
tubos además de recibir calor convectivo, reciben radiación. Las
paredes y techos del horno se encuentran cubiertas por materiales
que reducen las perdidas de calor y lo devuelven a los tubos.
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Tipos de Hornos de Proceso
Existen distintos tipos de Hornos de procesos, entre los más
comunes se encuentran:
Cilíndrico Vertical.
Cabina Horizontal.
Cilíndrico Vertical
En la figura se muestra las principales características del horno.
La sección de radiación incluye los tubos horizontales al lado de
las paredes y en el techo inclinado del horno (“Hip section”). La
sección de convección se extiende sobre todo lo largo de la sección
de radiación. Los quemadores están normalmente ubicados en el piso
del horno en fila por debajo del centro de la cabina y queman
verticalmente, pero no es extraño encontrar diseños con quemadores
montados en las paredes extremas ó intermedias, por debajo del
serpentín.
Este tipo de hornos han sido construidos hasta de 500 MM BTU/h(150
MW) de calor absorbido. Sin embargo, en tamaños más pequeños como
120 MM BTU/h (35 MW), los hornos verticales–cilíndricos son mucho
más económicos. Este diseño altamente eficiente y económico,
representa, actualmente la mayoría de instalaciones nuevas de
hornos con tubos horizontales.
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Cabina Horizontal
En términos de costo de refinación, el horno es uno de los equipos
más importante dentro de una refinería. Es imprescindible, para
lograr una operación segura, entender su funcionamiento.
Debido al combustible y aire que se combinan dentro del horno,
existen riesgos de explosiones por una operación inapropiada.
A menudo las alimentaciones de los hornos en las refinerías cambian
de Fuel oil a Fuel gas / Gas Nat , dependiendo de ciertas
restricciones del mercado de gas .
En otros casos las capacidades de las Unidades han sido
incrementadas y el Horno pasa a operar en condiciones mas exigentes
mientras que otros en cambio pueden estar operando por debajo del
requerimiento de diseño .
Sin embargo un Horno de Proceso es un elemento complejo, donde no
debe perderse de vista el criterio de “Optimización Energética” y
sus posibilidades mecánicas y de control Operativo para lograrlo
.
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Operación del Horno
En términos de costo de refinación, el horno es uno de los equipos
más importante dentro de una refinería. Gran parte del calor
utilizado es agregado directamente a la carga que pasa por el
horno.
En una refinería o planta petroquímica se utilizan grandes
cantidades de energía y para alcanzar los mínimos costos
operativos, el horno debe operar en su máxima eficiencia.
Es importante destacar que un horno eficiente, es un horno operado
en forma segura.
Los productos de combustión formados por la quema de combustible y
aire, irradian calor a los tubos, después pasan a través del escudo
a la sección de convección entregando más energía al proceso.
Finalmente, los gases son descargados a la atmósfera por medio de
la chimenea.
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Fundamentos de los Hornos
Con el objetivo de operar un horno en forma eficiente y segura, es
necesario entender los principales principios de operación. Los
puntos a tratar serán:
Circulación del fluido de procesos.
Tiraje.
Circulación del fluido de procesos
La distribución del fluido circulante a la entrada es muy
importante, para ello el control del paso del fluido a través de
los ramales evita desbalancear la carga y generar
sobrecalentamientos localizados y coquización . Asimismo se logra
una temperatura uniforme de salida.
Otra variable a controlar es la perdida de carga a través de los
ramales y el régimen del fluido circulante .Una muy elevada
velocidad puede generar daño erosión y/o vibraciones .
Antes de encender mecheros, se ha de establecer circulación de
producto por el interior de los tubos del horno, excepto en el caso
de que se encienda solo un mechero de gas para mantener la
temperatura de 200ºC en el techo de radiación.
Tiraje balanceado
Hablamos de tiraje balanceado en aquellos casos donde se cuenta con
ventiladores y recuperadores de calor (precalentamiento de aire de
entrada ).
Tiraje natural de un Horno
En este tipo de hornos, el tiraje es generado por la chimenea. Los
gases calientes se elevan en el interior del horno debido a que
pesan menos que al aire frío en el exterior. El aire que entra por
los quemadores, reemplaza al que sale por la chimenea.
Transferencia de Calor
El objetivo de un horno de procesos es calentar su carga
trasfiriéndole el calor de los gases de combustión. Dos tipos de
intercambio de calor ocurren. Radiación y convección.
Muestras de Gas Combustibles
La única manera de cuantificar el exceso de aire con el que opera
un horno es midiendo el oxigeno presente en los gases de
combustión.
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Proveer un punto de descarga para los gases de combustión.
Generar una presión negativa dentro del horno.
Los gases abandonan el horno por la chimenea. Esta provee un punto
elevado de descarga.
Debido a la diferencia de temperaturas entre los gases dentro del
horno y el aire en el exterior, la chimenea es capaz de proveer una
presión negativa en el interior generando una circulación de gases.
La presión negativa se llama TIRAJE.
La presión dentro del horno es mantenida apenas por debajo de la
del aire en el exterior mediante el ajuste del registro de
chimenea. Generalmente esta presión se fija entre 0.05” y 0.1” de
columna de agua negativa por debajo de la sección de convección.
Debido a que los gases son más livianos, el tiraje aumente en el
piso del horno dependiendo de la altura de la zona radiante y de la
temperatura.
Partiendo que un horno es operado con presión negativa, toda fuga
de aire al interior debe ser minimizada. El aire que forma parte de
la reacción de combustión, solo deberá ingresar en al zona de
mezcla. Cualquier fuga en el interior del equipo, reflejará un
aumento en el exceso de aire en los gases de chimenea. Fugas
significativas, harán imposible la operación del horno con un bajo
exceso de aire y como consecuencia reducirán su eficiencia.
En caso que el registro de chimenea se encuentre mal posicionado,
los gases pueden llegar a generar presiones mayores que la
atmosférica. Cuando esto ocurre, los gases son forzados a través
del refractario generando un deterioro de este y de la
estructura.
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Pérdida de carga de los gases en zona convectiva.
Pérdida de carga debida al registro y chimenea.
En la figura se muestra las principales características del horno.
Suelen ser usados para rendimientos térmicos hasta 150 MM
BTU/h(43.9 MW). En la sección de radiación, los tubos están
colocados o colgados verticalmente en forma de círculo alrededor de
los quemadores del piso. Esto hace que la llama sea paralela a los
tubos en la sección de radiación.
La convección se encuentra ubicada encima de la sección de
radiación, proporcionan un diseño muy eficiente y económico que
requiere un mínimo de área de planta. Los gases de combustión
fluyen hacia arriba a través del banco de convección y
posteriormente a la chimenea. La sección de escudo consiste de dos
filas de tubos ubicados en el fondo de la sección de
convección.
La porción de convección de los tubos usualmente tiene una
superficie de forma extendida para incrementar el coeficiente de
transferencia de calor por convección.
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Tiraje y Control de Exceso de Aire
El registro de chimenea es utilizado para controlar el tiraje por
encima de la sección de radiación. Un valor aproximado es 0.1” W.C.
El registro del quemador es utilizado para controlar el flujo de
aire.
Registro del Quemador
Registro de Chimenea
El registro de chimenea deberá ser ajustado de manera que el tiraje
debajo de la sección de convección se encuentre entre valores de
0.05” y 0.1” C.A.
El incremento en el tiraje es aproximadamente de 0.01” C.A. por
cada pie de altura de la región de radiación.
El registro del quemador será usado para ajustar el flujo de aire.
A medida que se producen variaciones en la apertura del registro,
el tiraje cambiará y deberá ser reajustado. Las variaciones en el
tiraje son el resultado del cambio en la velocidad de los gases a
través del horno, generando una mayor o menor pérdida de
carga.
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Fundamentos de los Hornos
En los quemadores de tipo standard la mezcla de combustible con
aire se realiza directamente en la zona de combustión. El diseño de
la punta del quemador tiene como objetivo descargar el combustible
y proporcionar una mezcla adecuada con el aire.
Los quemadores de pre-mezcla funcionan en forma diferente a los
standard. Una parte del aire se mezcla aguas arriba de la descarga
con el combustible. Se utiliza la energía del gas combustible para
inspirar lo que se denomina aire primario, pasan por un mezclador y
finalmente se realiza la descarga en la zona de combustión donde se
incorpora el resto del aire (aire secundario).
Los quemadores también suelen ser clasificados según el tipo de
combustible a quemar, la fuente de aire (tiro natural o forzado) o
su capacidad para reducir las emisiones de NOx.
Chart1
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
Transferencia de Calor
El propósito de un horno de procesos es calendar su carga
trasfiriéndole calor desde sus gases.
Radiación y Convección son las dos formas a través de las cuales se
transfiere el calor de los gases a los tubos de proceso.
El fenómeno de radiación es el equivalente al de parase frente a un
hogar, simplemente estar próximo a una llama causa que se
transfiera calor a un cuerpo frío.
El fenómeno de convección ocurre cundo los gases pasan sobre una
superficie fría. Para que la convección ocurra, la superficie fría
debe estar en contacto con los gases
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Los gases viajan de la sección radiante hasta la convectiva.
El intercambio calórico ocurre por el contacto directo de los gases
con los tubos.
La cantidad de calor transferida depende de la velocidad y la
temperatura de los gases.
Transferencia de calor convectivo.
Es le principal medio de intercambio de calor en la zona
convectiva. Ocurre por que los gases a velocidades relativamente
altas entran en contacto con los tubos de la sección de convección.
Esta transferencia de calor depende principalmente de la diferencia
de temperatura de los gases con los tubos y las velocidades de los
fluidos. Si las llamas en la sección de radiación son muy largas y
allí el intercambio es insuficiente, la temperatura de los gases
entrando a la sección de convección será mucho más alta que la
diseñada y excederá el flujo calórico.
Un fenómeno que ocurre con el aumento del exceso de aire es el
desplazamiento del calor entregado en la sección de radiante a la
sección de convectiva. Debido al exceso de aire la temperatura de
llama disminuye y con esto el calor suministrado por radiación, por
otro lado aumenta la masa de gases y su velocidad en la sección de
convección incrementando así el intercambio en esta parte.
Transferencia de calor radiante.
Es el principal mecanismo de intercambio en la sección de
radiación. La energía es irradiada desde los gases. Si bien, no es
necesario que los gases entren en contacto con los tubos para que
el intercambio de energía ocurra, la temperatura y proximidad de la
llama tiene un importante efecto en la cantidad de calor
transferido. La cantidad de energía transferida, es proporcional a
la diferencia de la de la cuarta potencia de las temperaturas de
los gases y de los tubos. La forma de la llama (diámetro y altura)
es muy importante a la hora de determinar la cantidad de calor y la
manera en la que está distribuido.
(CONTINUA)
Gases calientes irradian energía a los tubos
No es necesario contacto real de los gases con los tubos.
La cantidad de calor transferido es proporcional a la diferencia de
la cuarta potencia de las temperaturas de los tubos y los
gases.
Sección Radiante
Llamas cortas e intensas (reacción rápida debido a una buena mezcla
aire/combustible) producen temperaturas más altas y un elevado
intercambio de calor en una pequeña sección de la cámara radiante
disminuyendo los gases que entran en la zona de convección. A pesar
de esto, no siempre se desea un elevado flujo de calor en la
sección de radiación. Flujos elevados producen un aumento de la
temperatura de piel de tubo y la posibilidad de que se coquifique
el interior de los mismos.
Por otro lado si la llama es muy larga (de reacción lenta) el calor
radiante será pobre y los gases entrando a la sección de convección
serán muy altos causando problemas en los tubos de
convección.
Como puede ser inferido la forma de la llama es extremadamente
importante. Una llama malformada puede azotar la superficie de los
tubos. Si la llama es de diámetro grande los tubos de radiación se
verán afectados, si es demasiado larga los tubos del techo son los
perjudicados.
Otra consideración relacionada con la forma de la llama, son las
corrientes convectivas generadas en la zona de radiación. La masa
de gases se eleva por el centro del horno y al ser enfriada, estos
gases descienden entre los tubos y la pared. Cuando alcanzan el
fondo del horno, barren el piso en dirección a los quemadores. En
algunos casos, si la llama es larga y blanda, las corrientes pueden
empujarla hacia los tubos
Una medida aproximada para una llama es ½ a 2/3 la altura de la
cámara radiante.
Un quemador puede estar diseñado correctamente e incluso así tener
una forma de llama inapropiada. Este fenómeno suele ocurrir con
quemadores múltiples o cuando las fugas de aire son excesivas. Ya
se ha discutido previamente que el aire debe ser mezclado en la
zona de combustión. En sistemas de quemadores múltiple puede
ocurrir que a todos no se les suministre el mismo caudal de
combustible. De esta manera operaran cada uno con un exceso de aire
diferente.
(CONTINUA)
Efecto de la forma de la llama
Con llamas largas, las temperaturas máximas se dan en zonas más
altas de la radiación produciendo:
Disminución del calor transferido en la sección de radiación.
Gases a altas temperaturas entrando en la convección.
Variaciones en el calor entregado tanto en la zona de radiación y
convección.
Posible aumento de la temperatura del metal, tanto en la región
superior de la zona radiante como en la convección.
Reducción en la eficiencia del horno.
Posibles causas
Sección Radiante del Horno
Quemadores con un alto exceso de aire suelen tener llamas cortas y
limpias, mientras que con bajo exceso de aire son largas y blandas.
La diferencia entre los distintos patrones de llama puede generar
una inapropiada transferencia de calor en la radiación, azote de
llama en los tubos o elevado flujo calórico causando elevadas
temperaturas de piel de tubo.
Cuando hay una fuga de aire en la cámara del horno y se lo intenta
operar el con un exceso de aire bajo, los quemadores tendrán
insuficiente aire para una combustión adecuada.
Los dos casos anteriormente descriptos son situaciones comunes en
los que se operan hornos con excesos de aire superiores al los de
máxima eficiencia.
La operación con un mayor exceso asegura que el horno no se quedará
sin aire en caso de que se de una condición desfavorable. Como fue
indicado con anterioridad, algunos combustibles necesitan menos
aire que otros. Si un horno se encuentra operando con un
combustible y con su adecuado exceso de aire y repentinamente se
produce un cambio de combustibles por uno que requiera un exceso de
aire mayor, el quemador operará con una masa de aire inferior y
como consecuencia no responderá de manera adecuada.
Cambios en la composición del combustible podrán generar una
inyección elevada de combustible y como consecuencia una operación
con defecto de aire. Por ejemplo, cuando un quemador funciona con
un combustible de bajo poder calorífico que requiere una presión
elevada en la punta del quemador, la válvula de control se
encontrará en su posición de máxima apertura. Si la composición
cambia para un combustible de mayor poder calorífico, los
requerimientos de aire aumentarán y antes que el control por
temperatura reduzca el flujo de combustible el horno se quedará
corto en aire.
Cambios en las condiciones atmosféricas como temperatura o una
elevada velocidad del viento que afecte el tiraje, pueden reducir
el exceso de aire. Si el horno opera con un bajo exceso de aire y
la temperatura varía significativamente entre la mañana y la tarde,
el aumento de la caída de presión en los quemadores, conducirá a
una reducción del flujo de aire. Elevadas velocidades del viento
causan alteraciones en el tiraje y flujo errático. provocando
problemas de estabilidad en la operación del horno.
Rev. 0 – 20/07/06
Precalentamiento de Aire
El precalentamiento del aire a un Horno incrementa la eficiencia de
un 7 a un 10 % al aprovechar la energía caliente de los gases de
salida y enfriamiento de estos gases a un óptimo .
Uno de los problemas asociados con el precalentamiento es la
corrosión en las zonas frías de la circulación de gases y otros
equipos aguas abajo por condensación de ácidos sulfurosos.
Es recomendable ajustar la temperatura de salida de gases a través
de un by pass con gases calientes .
Otro factor a tener en cuenta es la perdida de carga del circuito
de precalentamiento .En algunas instalaciones se ha mejorado este
punto modificando el ángulo de ataque del conducto de aire de
ingreso .
En el precalentador, se transfiere calor de los gases de combustión
ó de chimenea, al aire para la combustión, reduciendo la
temperatura de salida de los gases de chimenea, y elevando la
eficiencia térmica de todo el sistema del horno. Con sistemas de
precalentamiento de aire, la temperatura de salida de los gases de
chimenea está entre 163 °C (325 °F) y 177 °C (350 °F), y los
niveles de eficiencia térmica pueden alcanzar de 90 a un 92%
(basados en el poder calórico inferior del combustible).
Cuando se quema gas con un contenido muy bajo de azufre, la
temperatura de salida de los gases de chimenea puede ser tan baja
como 121 °C (250 °F): en tales sistemas, la eficiencia térmica
alcanzable ya no se mide por la diferencia de temperaturas entre
los gases de combustión y los fluídos entrando al sistema. La
temperatura de los gases de combustión saliendo del precalentador,
la cual determina la eficiencia, debería ser lo más baja posible,
sin producir corrosión de los elementos del precalentador, debido a
la condensación de materiales corrosivos por la baja
temperatura.
Rev. 0 – 20/07/06
Precalentamiento de Calor
Todos estos equipos tienen ventajas/desventajas en instalaciones
específicas. Los precalentadores de aire del tipo regenerativo y
tubular tienen una historia de aplicación larga de la cual se ha
obtenido experiencia muy valiosa. El sistema de fluido circulante
ofrece experiencia de operación limitada y por lo tanto requiere de
detalles del diseño mucho más precisos si va a ser utilizado. Las
comparaciones entre los precalentadores de aire del tipo
regenerativo y tubular excluyen el uso de una sección de tubo de
vidrio debido a que este equipo puede ser aplicado separadamente a
cualquier tipo de precalentador de aire para la recuperación de
calor de baja temperatura.
Rev. 0 – 20/07/06
Los precalentadores de aire disponibles actualmente incluye tres
tipos básicos:
1. Rotativo/regenerativo, como el Ljungstrom, Lugat y
Rothemuhle.
2. Tubular, como el DEKA, Stierle, Air Industries, etc.
3. De fluido circulante.
Debido a la diferencia de temperaturas entre los gases dentro del
horno y el aire en el exterior, la chimenea es capaz de proveer una
presión negativa en el interior generando una circulación de gases.
La presión negativa se llama TIRAJE.
En esta imagen se representan los efectos del tiraje y las caídas
de presión a lo largo del horno.
Rev. 0 – 20/07/06
Toma de Muestra y Análisis del Gas
La única manera de cuantificar el exceso de aire es mediante la
medición del contenido de oxígeno en los gases de chimenea. Este
gráfico permite, en forma aproximada, obtener el exceso de aire
como función del porcentaje de oxígeno medido en la chimenea. La
combustión perfecta se alcanza cuando el análisis de los gases no
indique la presencia de CO, H2, hidrocarburos no quemados u oxígeno
cuando el CO2 alcanza el máximo. Desafortunadamente, como ya se
indicó anteriormente, es imposible quemar con 0% de exceso de aire
y obtener una combustión completa. La operación óptima se obtiene
con una mínima cantidad de oxígeno presente en los gases de
chimenea, sin cantidades significativas de CO y una calidad de
llama (forma) sostenida.
Existe una variedad de instrumentos para la medición de gases. La
mayoría indica en porcentaje en volumen de distintos componentes en
una base de gas seco. Mediante la medición de oxígeno y CO es
posible lograr una operación eficiente del horno. Un aumento del CO
indicaría que los quemadores estarían recibiendo poco aire, por
otro lado altos niveles de O2 indican que el horno funciona con un
alto exceso de este. En algunos casos es posible encontrar altos
niveles de oxígeno y CO, esto indicaría un exceso de aire resultado
de fugas en el horno.
En el mejor de los casos, los hornos solo cuentan con un analizador
de oxígeno. Será necesario operarlos con el suficiente exceso de
aire para asegurar que el CO no se forme. Los rangos generales de
operación se encuentran entre el 10% y 30% de exceso de aire
dependiendo del tipo de horno y combustible. En algunos casos el
porcentaje puede ser mucho mayor.
Rev. 0 – 20/07/06
Ubicación del Muestreo
Muestreo de Gas
Muestreo de Gas
Medición de Tiraje
Medición de Tiraje
La forma de muestreo, pueden ser fuente de error en el análisis del
gas. Las líneas de muestreo deben estar ajustadas y libres de
perdidas. La probeta de muestra debe ser introducida de manera de
evitar las posibles fugas alrededor del tubo.
Considerando que la muestra de gases se realiza a altas
temperaturas, la metalurgia de la probeta debe ser adecuada para
soportar dichas condiciones. Tipo 310 SS suele ser satisfactorio a
1800ºF.
Las mediciones de oxígeno son indicadores del aire en exceso y de
posibles fugas. Las fugas suelen ser problemáticas ya que este aire
se encuentra presente en las mediciones pero no participa de la
combustión. El aire entrante por medio de los quemadores debe ser
adecuado para evitar condiciones de llama desfavorables o
intercambio de calor insatisfactorio. Es posible medir exceso de
oxígeno en la chimenea mientras que la radiación opera con
insuficiencia de aire. Cuando esto ocurre, el aire que se fuga en
la convección puede reencender los productos de una combustión
incompleta causando sobrecalentamiento de la sección.
El punto de muestra debe estar colocado de manera de evitar la
influencia de las fugas. El sistema de muestra ideal debe contar
con dos puntos de medición. Uno en la chimenea y otro por debajo de
la sección de comvección. Este último debe ser colocado por encima
de las llamas y debe extenderse bien dentro del horno. La ubicación
por encima de las llamas es para que el análisis sea de una
combustión completa, mientras que la penetración busca evitar las
perdidas que usualmente circulan detrás de los tubos. La medición
en chimenea determinará la cantidad de fugas. Grandes diferencias
en el exceso de aire de las dos mediciones, indicarían la necesidad
de un mantenimiento y revisión del sellado del horno.
Los puntos más propensos a tener fugas son las cajas de cabezales.
Cualquier entrada de aire más allá de los quemadores es considerada
indeseable.
Rev. 0 – 20/07/06
Reducción del exceso de Aire
1.- Mantenga el tiraje del horno en los típicos ( 0,1 “ CA)
2.- Ajuste el registro de los quemadores y el registro para
controlar el tiraje
3.- Cierre los registros de aire de los quemadores que no están en
servicio
4.- Cierre las mirillas y puertas .
5.- Mantenga una combustión limpia todo el tiempo
6.- Mantenga el exceso de aire recomendado para cada combustible
:
F Oil 20 –25 % de exceso de aire ( 4-5 % O2)
F Gas 10 -15 % de Exceso de aire ( 2-3 % O2)
Reducción de la temperatura de gas de chimenea
1.- Reduzca el exceso de aire a quemadores
2.- Mantenga limpio los tubos de la zona convectiva
3.- Mantenga la temperatura de gases de chimenea 55 °C por encima
de la temperatura del fluido a calefaccionar (carga) .
Rev. 0 – 20/07/06
Rev. 0 – 20/07/06
Tabla de Causas/Efectos Tiro Natural
En hornos con encendido eléctrico, la parada del piloto cortará la
tensión al panel de encendido.
Rev. 0 – 20/07/06
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Tabla de Causas/Efectos Tiro Forzado Precalentadores
Solo cuando 10 segs. después de la parada del sistema de
precalentamiento se mantenga la presión por encima del punto de
consigna.
Solo cuando 10 segs. después de la parada del sistema de
precalentamiento no se detecte la apertura de los registros.
0,006
0,007
0,008
0,009
0,01
0,011
0,012
0,013
50010001500200025003000