Documento Caldera Pirotubular 1v401y

MÁQUINAS TÉRMICAS I

Caldero Industrial

GRUPO “2” Nombres.Quintana Choque Jhonny Julio cesar Aguirre Ariel Hinojosa Deitmar mendoza fernandez Salinas Kevin Mauricio

Contenido 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Definición De Una Caldera Tipos De Calderas Partes De La Caldera

Combustibles Para Calderas Calderos Pirotubulares Funcionamiento de una caldera pirotubular horizontal

Termodinámica De Las Calderas Horizontales Pirotubulares : 1.8 Eficiencia Y Consumo De Una Caldera Pirotubular 1.9 Aplicaciones 1.10 Bibliografía

1.1

Definición De Una Caldera

Una caldera es una máquina o instalación, diseñada y construida para producir vapor de agua a elevada presión y temperatura, las hay, desde pequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para cocción de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presión, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la alimentación de turbinas de generación de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y presiones. La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión, tan común en nuestros hogares. En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente, tal como un combustible, electricidad etc. para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores están confinados a un espacio cerrado, se incrementará la presión interior y con ello la temperatura de ebullición del agua, pudiéndose alcanzar finalmente muy elevados valores de presión y temperatura. Una caldera es a menudo el equipo más grande que se encuentra en un circuito de vapor. Su tamaño puede depender de la aplicación en la que se usa. En una instalación grande, donde existen cargas de vapor variables, pueden usarse varias calderas. 1.2

Tipos De Calderas

Acuotubulares:

Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) en éstas el agua circula por dentro de los tubos, bañados exteriormente por los gases, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. La combustión se da en la cámara destinada a dicha función es atravesada por los tubos de agua, que entonces se calienta y cambia a estado gaseoso. Se utilizan tubos longitudinales

para aumentar la superficie de calefacción y se colocan de forma inclinada para que el vapor desaloje por la parte superior mientras se fuerza naturalmente la entrada de agua por la parte inferior. Se utilizan principalmente cuando se requiera vapor a altas presiones y al ser capaces de generar muy diferentes potencias fueron muy utilizadas en centrales eléctricas y otras industrias de principios del siglo XX. El vapor producido es de naturaleza seca, por lo que también es ideal para los sistemas de transmisión de calor. Se caracterizaban además por sus dimensiones totales reducidas y por ser originalmente construidas para uso con combustibles sólidos, mientras que son utilizadas ahora principalmente con combustibles ecológicos, gas o diesel. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura. Pirotubulares:

La caldera de vapor pirotubular, (Calderas de tubos de Humo), en éstas los humos pasan por dentro de los tubos, y el agua baña a éstos por fuera, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características. Los gases muy calientes procedentes de un quemador, se conducen a través de múltiples tubos embebidos en el agua contenida en el cuerpo de la caldera, hasta una chimenea de salida al exterior.Estos tubos se conocen como tubos de fuego. Durante el paso por los tubos, ceden el calor al agua circundante, calentándola y haciéndola hervir, los vapores resultantes, burbujean en el resto del agua para concentrarse en el domo de donde se extraen para el proceso. Una válvula de seguridad calibrada, impide que se alcancen presiones peligrosas para la integridad de la caldera. Es importante hablar de los dos flujos que tienen lugar en las calderas para comprender su funcionamiento.

Flujo agua - vapor – condensado: El agua previamente tratada que se alimenta a la caldera, es calentada hasta que se transforma en vapor por el calor recibido, éste vapor se lo transporta hasta los puntos de consumo donde pierden su calor de condensación y cambian a fase líquida. Con el objeto de evitar choques térmicos en las estructuras de la caldera y porque el condensado ya no necesita ser tratado, se lo suele retomar como agua de alimentación para iniciar nuevamente el proceso, a esto lo llamamos línea de agua. Flujo combustible/comburente - gases de la combustión: El combustible es preparado según su naturaleza para que correctamente atomizado, se mezcle con el comburente (aire por lo general) y se queme lográndose la presencia de llama producida por la combustión. La energía química se transforma en energía calórica, que contenida en los gases resultados de la combustión, es transferida y aprovechada para calentar el agua en la caldera. Estos gases atraviesan la caldera y son despedidos por la chimenea con la menor cantidad de calor posible, conocido como línea de combustible.

1.3

Partes De La Caldera

En forma general una caldera está constituida por los siguientes elementos principales:    

Superficies Evaporativas o Caldera propiamente dicha. Hogar. Quemador. Conductos para la alimentación de aire para la combustión y de evacuación de los gases productos de la combustión, incluyendo la chimenea.  Equipos y Mecanismos Auxiliares (Tanques de Alimentación, Bombas de alimentación, tratamiento de agua. Ventiladores de Tiro inducido y forzado)

1.4 combustibles para las calderas

La función de un quemador , refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se realice la combustión completa. Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea intima para que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos gaseosos formados. Los tres tipos más comunes de combustible que se usan en las calderas de vapor son: carbón, fuel-oíl y gas. Sin embargo, también se usan residuos industriales o comerciales en ciertas calderas y electricidad para las calderas de electrodos. Normalmente, el tipo de combustible se elige dependiendo de cuál tiene la tarifa más atractiva.  

Carbón Gas

* *

petróleo combustible de residuo

a) CARBÓN Es el término genérico dado a una familia de combustibles sólidos con un alto volumen de carbono. En esta familia, hay varios tipos de carbón, cada uno relacionado con la fase de formación del carbón y el volumen de carbono. Estos estados son; Lignito. Carbón bituminoso. Semi bituminoso. Como combustible de la caldera, se suele usar el bituminoso y la antracita. Un promedio razonable es: para producir aproximadamente 8 kg de vapor se ha de quemar 1 kg de carbón. b) PETROLEO.El Fuel-oíl que se usa como combustible en la caldera proviene del residuo producido de petróleo crudo después de que se ha destilado para producir productos más ligeros como el aceite de motor, parafina, queroseno, diésel y gasoil. Hay varios grados disponibles, cada una adecuada para los diferentes tipos de calderas, los grados son los siguientes: Clase D: Gasoil.

Clase E: Fuel-oíl ligero.

Clase F: Fuel-oíl medio.

Clase G: Fuel-oíl pesado.

Puede producirse aproximadamente 15 kg de vapor por kg de litro de Fuel-oíl.

Fuel-oíl o 14 kg de vapor por

c) GAS.El gas es la forma de combustible de caldera que es fácil quemar con poco exceso de aire. Los gases combustibles están disponibles en dos formas diferentes;  Gas natural. “Éste es gas que se ha producido (de manera natural) bajo tierra. Se usa en su estado natural, salvo la eliminación de impurezas, y contiene metano en su forma más común.”  El gas licuado de petróleo (GLP). Éstos son gases que al refinar el petróleo y se almacenan bajo presión en un estado líquido hasta que se vayan a usar. Las formas más comunes de GLP son propano y butano. 1 Termia de gas producirá aproximadamente 42 kg de vapor en la salida de una caldera a 10 bar de presión, con una eficacia de la caldera del 80%. 1.5 Calderos Pirotubulares

La razón por la cual se llama a estas calderas pirotubulares o de tubos de fuego es por el hecho de que los productos de combustión circulan en el interior de los tubos y el agua se encuentra rodeando los alrededores de los tubos en general. Sin embargo las calderas no solo son tubos, sino que están conformadas de otras partes que ayudan a un correcto funcionamiento y desempeño de las mismas. Las calderas pirotubulares pueden servir tanto para generar agua caliente sanitaria como para los diferentes sistemas de calefacción, por ejemplo radiadores. Estos radiadores son alimentados con el agua caliente y de esta manera conseguimos calentar cualquier lugar.Con estas calderas podemos tener simultáneamente tanto calefacción como agua caliente, al igual que con otros tipos de calderas, por lo que es una gran ventaja el tener un mismo equipo para 2 funciones completamente distintas. Estas calderas suelen emplearse sobretodo industrialmente ya que tienen un tamaño considerable y pueden calentar un gran volumen de agua.

1.6

Funcionamiento de una caldera pirotubular horizontal

Cuando se va a poner en funcionamiento una caldera pirotubular hay que tener en cuenta de que la caldera debe de estar llena hasta donde indique el visor de nivel ya que si no es así el control de nivel (McDonnell) impedirá que el quemador de la caldera se encienda mandando a prender la bomba de alimentación de la caldera hasta alcanzar el nivel de agua adecuado. Una vez que se tiene llena la caldera de agua, el control de nivel abre un

circuito que hará que la bomba de alimentación de la caldera se apague y cierra otro circuito que hará que el quemador se encienda automáticamente. El quemador tiene una foto celda la cual es capaz de sensar cuando no existe llama para mandar a apagar la bomba de combustible y el ventilador del quemador. Una vez que se ha logrado encender el quemador, la caldera debe de ser capaz de elevar la temperatura del agua hasta la temperatura de ebullición y por ende elevar la presión dentro de la misma. Dicha presión, que no es más que la presión de operación de la caldera, se la debe de establecer en el Pressuretroll el cual es un controlador de presión de la caldera que envía la señal de apagar automáticamente el quemador cuando la presión llega al valor preestablecido. Dicho equipo de control permite establecer una variación de presión determinada sobre y por debajo de la presión de operación de la caldera, por lo que cuando el equipo se encuentre generando vapor de una manera continua (estado estable), la presión se encontrará variando entre el valor máximo y mínimo que se haya establecido en el controlador de presión para lo cual se requiere estar enviando automáticamente a encender el quemador cuando la presión es la mínima y apagar cuando la presión es la máxima. En caso de que este controlador de presión falle, en la parte superior de la caldera se encuentran válvulas de seguridad que están reguladas a la presión de diseño de la caldera las cuales se abren cuando dicha presión se ha sobrepasado. Es importante indicar que las calderas pirotubulares solo pueden generar vapor saturado. Una vez que el equipo se encuentra generando vapor, de una forma continua o no, será necesario reponer el agua que se está consumiendo y es aquí cuando entra en operación por segunda vez control de nivel de agua. Si el nivel de agua baja de manera moderada, este cierra el circuito que energiza la bomba de alimentación de la caldera para reponer el agua. Durante este proceso el quemador no queda desenergizado, esto quiere decir que si se encontraba encendido cuando se activó la bomba de alimentación se mantendrá encendido durante todo el proceso de reposición de agua. Caso contrario se da cuando el nivel de agua de la caldera cae por debajo de un límite mínimo preestablecido, ya que en este caso no solo que se encenderá la bomba de alimentación sino que se apagará automáticamente el quemador de la caldera. Todo el proceso descrito anteriormente lo realiza la caldera durante todo el tiempo que este equipo se encuentre operando hasta ser apagado.

1.7

Termodinámica De Las Calderas Horizontales Pirotubulares :

Se analiza de manera específica la termodinámica no reactiva de las calderas pirotubulares horizontales. Se dice no reactiva ya que no se entra en detalles de energía de formación al analizar la reacción química del combustible (combustión), sino que se utiliza el poder calorífico para considerar la energía química del combustible.

1.7.1 Balance de energía de la caldera. Dentro de la caldera se puede diferenciar de manera bien marcada dos volúmenes de control, del lado de los gases de combustión y del lado del hogar. Para empezar el análisis se considera importante citar los siguientes supuestos que hacen válido dicho análisis. * La caldera opera en estado estable. * La pérdida de calor por las tapas se considera despreciable con respecto a las pérdidas de calor en la coraza. * La pérdida de calor por la coraza afecta directamente al volumen de control del lado del vapor. Una vez citados los supuestos, se muestra a continuación de una manera gráfica la diferenciación de los dos volúmenes de control de los cuales se había hablado anteriormente.

Fig.1.7.1 se tiene que la energía necesaria para generar vapor a una tasa determinada se puede calcular con la relación que se muestra a continuación:

𝑸𝒂𝒈𝒖𝒂= 𝑴𝒗 ∗( 𝒉𝟐 − 𝒉𝟏 )

𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎= 𝑀𝑉 ∗ [(ℎ𝑔 ∗ 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟.)−(ℎ𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎) ] En la figura 1.7.2 se ve reflejada la cantidad de calor que debe de ser agregada al agua para llevar el agua de alimentación de la caldera a las condiciones energéticas del punto de operación de la caldera:

1.8

Eficiencia Y Consumo De Una Caldera Pirotubular

Tal como se había dicho en secciones anteriores el consumo de combustible es uno de los parámetros de entrada para el análisis en este método de cálculo de calderas pirotubulares horizontales mientras que la eficiencia es uno de los parámetros de salida que debe de ser calculado y evaluado según las condiciones de entrada que se hayan establecido. Dicha eficiencia es calculada a partir de la siguiente ecuación:

ŋ𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =

𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑓 ∗ 𝑃𝐶𝑖𝑛𝑓

Tomando en cuenta la ecuación 2.3 la eficiencia de la caldera se la puede definir como sigue:

ŋ𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =

𝑚 ∗ {(ℎ𝑔 ∗ 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟. ) − (ℎ𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎) } 𝑚𝑓 ∗ 𝑃𝐶𝑖𝑛𝑓

Ya que el m es la capacidad de generación de vapor de la caldera que de por sí no es un dato conocido se utiliza la siguiente ecuación

ŋ𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =

𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 − 𝐸𝑙−𝑐𝑜𝑟𝑎𝑧𝑎 𝑚𝑓 ∗ 𝑃𝐶𝑖𝑛𝑓

Con lo cual también se tiene herramientas suficientes para poder calcular la capacidad de generación de vapor a través de la siguiente relación

𝑚𝑣 =

𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 − 𝐸𝑙−𝑐𝑜𝑟𝑎𝑧𝑎 {(ℎ𝑔 ∗ 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟. ) − (ℎ𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎) }

Es así como se ha concluido un análisis de la termodinámica no reactiva de una caldera pirotubular horizontal habiendo obtenido hasta este momento herramientas muy útiles que

hay que considerar cuando se va a diseñar térmicamente una caldera pirotubular horizontal

1.9

Aplicaciones

La aplicación de las calderas pirotubulares tiene un campo muy amplio ya que el vapor es necesario en la mayoría de los procesos térmicos entre los cuales tenemos los siguientes campos Fabricas de concreto prefabricado.- los concretos necesitan ser Metidos en hornos para su procesamiento correcto para tratar de mantenerlos a una temperatura entre 60ºC y 70ºC. Industria alimenticia,- los alimentos son cocidos usualmente en ollas con chaquetas de vapor a una presión de 60 psi. Se debe de alcanzar temperaturas de aproximadamente 106ºC para lograr evaporar un 20% de su contenido de agua. Cremerías.- las chaquetas de vapor para la elaboración de crema y queso requieren una presión de vapor de 100psi y un calentamiento aproximado de 15ºC a 40ºC. Papeleras.- en este proceso se requiere secar el papel en tambores rotativos calientes. La presión de vapor aproximada en estas máquinas es de 180 psi. Plantas de asfalto.- para calentar el asfalto de 149ºC a 155ºC generalmente se necesita vapor a una presión aproximada de 125 psi. Equipos de hospitales.- Se utiliza vapor de alta presión para los esterilizadores. También se la utiliza para obtener agua caliente. Tintorerías.- el vapor proveniente de la caldera debe de fluir por el fondo de los tanque del tinte para calentar el mismo y se debe de agitarlo a fin de mezclarlo completamente. Industria química.- se utiliza vapor para la mayoría de los procesos para la obtención de los medicamentos. 1.10 bibliografía https://www.todoencalefaccion.com/calderas-pirotubulares/ http://www.monografias.com/trabajos104/rendimiento-calderas/rendimiento-calderas.shtml Ing. Ángel Vargas Zúñiga, “Calderas Industriales y Marinas”, Editorial Series VZ, Ecuador, Segunda Edición, 1996.