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ESTADO DEL ARTE

CALDERA Una caldera se puede definir como un recipiente cerrado en el cual el agua se evapora en forma continua por la aplicación de calor por medio de gases. Estos gases generalmente son producto de la quema de un combustible fósil en el horno de la caldera, aunque pueden ser también el producto de un proceso como los gases resultantes de reacciones en las unidades de ruptura catalítica. El diseño de generadores de vapor está estipulado para transferir el calor procedente de la combustión de un combustible a un líquido contenido dentro de este equipo. El líquido contenido en el equipo está sujeto a ciertas condiciones de seguridad. El vapor o agua caliente debe ser suministrado bajo ciertas condiciones requeridas de temperatura, presión y calidad (Shield, 1982).

Figura 1. a) Imagen superior: Caldera Pirotubular. b) Imagen inferior: Caldera acuatubular.

COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN UNA CALDERA Los tres tipos más comunes de combustible que se usan en las calderas de vapor son: carbón, fuel-oil y gas. Sin embargo, también se usan residuos industriales o comerciales en ciertas calderas y electricidad para las calderas de electrodos. Carbón 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:  Turba.  Lignito.  Carbón bituminoso.  Semi bituminoso.  Antracita Como combustible de la caldera, se suele usar el bituminoso y la antracita. Para producir aproximadamente 8 kg de vapor se ha de quemar 1 kg de carbón.

Petróleo El Fuel-oil 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.

FUEL OIL 424 Se elabora a partir de los distintos residuales obtenidos en los procesos de refinación, mezclados con fracciones provenientes de la destilación atmosférica, destilación al vacío y componentes de craqueo catalítico. Se conoce en el mercado marino con el nombre de BUNKER C.

FUEL OIL 650 Se elabora a partir de los distintos residuales obtenidos en los procesos de refinación, mezclados con fracciones provenientes de la destilación atmosférica, destilación al vacío y componentes de craqueo catalítico.

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, contiene metano en su forma más común.



El gas licuado de petróleo (GLP). Éstos son gases que se producen 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

DIESEL MEDIANO El diesel Mediano se produce a partir de una selección de corrientes de refinería que finalmente se mezclan para obtener un combustible que permite el encendido del motor de manera rápida y fácil. Posee un elevado poder calorífico y excelentes propiedades de combustión lo que permite obtener una buena economía de combustible.

BAGAZO Es un combustible natural para producir vapor en las fábricas azucareras Es un material fibroso, heterogéneo en cuanto a su composición granulométrica y estructural, que presenta relativamente baja densidad y un alto contenido de humedad, en las condiciones en que se obtiene del proceso de molienda de la caña.

PARTES DE UNA CALDERA PIROTUBULAR Quemador: Es el encargado de quemar un combustible líquido, gas o sólido produciendo una llama. El hogar o cámara de combustión: Es donde se quema el combustible y donde se alanzan las temperaturas más altas, próximas a los 2.000 o C. ] El circuito de humos: Cumple la doble misión de conducir los humos que se producen en la combustión hacia la caja de humos y de arrebatarles el mayor calor posible para luego cedérselo al agua (dejarlos salir directamente a la

atmósfera acarrearía entre otros inconvenientes una gran pérdida de energía, al desperdiciar el calor que poseen). Para aumentar al máximo el intercambio de calor entre los gases y el agua, el circuito de humos tendrá la mayor superficie posible y se realizará de forma que disminuya en lo posible la velocidad de salida de los gases. Haz de tubos: Es el elemento de la caldera por el cual los gases productos de la combustión que a su vez servirán para producir el vapor al o con el agua (intercambiador de calor), deben ser de un material resistente a altas temperaturas y con una buena conductividad térmica, por lo general Acero A106,los haz de tubos se diseñan con una configuración 90 45 60 dependiendo de la configuración seleccionada se obtendrá su respectivo paso longitudinal y transversal.

Figura. Partes de una caldera Pirotubular Tipos de calderas Caldera Piro-tubular

Las calderas piro tubulares son aquellas en las que los gases de la combustión circulan a través de tubos que están rodeados por agua. Los gases de combustión transfieren calor al agua, esta transferencia de calor es función de la conductividad del tubo, de la diferencia de temperatura entre el agua y los gases, de la superficie de transferencia, del tiempo de o.

Fig. 2 Caldera Pirotubular

En este caso puede observarse el paso de los gases de combustión a través de la caldera y la salida del vapor de agua. Caldera Acuatubular

Las calderas acuotubulares son aquellas en las que el agua circula por el interior de los tubos. Estos tubos están, generalmente conectados a dos calderines como se ve en la figura 3. El calderín superior de vapor, en el cual se produce la separación del vapor existente en el agua en circulación, y el inferior de agua, también conocido como calderín de lodos al depositarse éstos en él.

Figura 3. a) Caldera acuatubular b) Circulación en caldera acuatubular

Los tubos que unen ambos calderines se distribuyen de forma que una parte de ellos queda en el lado caliente de la caldera - zona de la caldera que está en o con los gases de la combustión - y otra en el lado frío como se observa en la figura 3. El agua de los tubos del lado caliente es parcialmente evaporada de forma que dicho vapor asciende hacia el calderín superior debido a la menor densidad de éste con respecto al agua. Comparación ente una caldera Pirotubular y una caldera aquatubular

TIPO CALDERAS PIROTUBULARES

CALDERAS ACUOTUBULARES

El agua baña por fuera a los tubos.

En estas el agua circula dentro de los tubos.

descripción Circulación del agua

En estas pasa los humos por dentro de los tubos. Circulación del calor o humos.

Accionamiento de combustión.

Disposición del vapor

Tipo de combustible

Los humos son procedentes de un quemador a gas natural o AM.

Los humos bañan por fuera los tubos.

El calor en forma de humo se produce por la combustión de un quemador que funciona como lanza llamas.

La combustión está dada en la cámara destinada que produce el Calor en forma de humo y lo lleva a los tubos.

Como el agua baña los tubos llenos de humo el vapor es recolectado y enviado por una tubería que lo envía hacia el otro sistema.

El agua se encuentra en los tubos y es necesario dos calderines dentro de la caldera que impulsan el vapor por la tubería hasta llegar al otro sistema.

Combustible (fluido)

Combustible sólido

VENTAJAS DE UNA CALDERA PIROTUBULAR Y ACUATUBULAR

CALDERAS ACUOTUBULARES 

    

Evaporación más rápida, debido a las pequeñas cantidades de agua contenida en los tubos. Son afectados por la diferencia de consumo de vapor y alimentación de agua. La circulación de agua es deficiente, reduciendo de esta manera la eficiencia. Trabajan a mayores presiones y se fabrican para grandes potencias. Resisten grandes esfuerzos y de lento enfriamiento. Son más sensibles a las incrustaciones (interior de los tubos), por lo tanto el mantenimiento es dificultoso. Son más costosos.

CALDERAS PIROTUBULARES 

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  

Contienen gran cantidad de agua en el interior por lo que no son muy afectados por la diferencia de consumo de vapor y alimentación de agua. Hay menor pérdida de calor por radiación porque los tubos se encuentran cubiertos de aguase encuentran cubiertos de agua (mayor eficiencia). Trabajan a menores presiones, pero son más grandes para una misma capacidad. De rápido enfriamiento, por apertura de la cámara de combustión. El mantenimiento es más fácil (exterior de los tubos).

 

Requieren más instrumentación y mayores controles. La explosión queda limitada generalmente a uno o varios tubos.

 

El mantenimiento es más fácil (exterior de los tubos). Requieren menos instrumentación y control. La explosión puede destruir por completo el cuarto de calderas, así como su entorno.

SUPERFICIES DE CALEFACCION Es la superficie de metal que está en o al mismo tiempo con los gases de combustión y con el agua o vapor, es decir, es toda la superficie de una caldera que está en o por un lado con el agua y por el otro está expuesta al fuego o a la corriente de los gases de la combustión. Se mide del lado de los gases en m2 o pies2, en las calderas de tubos de humo.

LA SUPERFICIE DE RADIACIÓN.Vendrá dada por la superficie real bañada por el fluido transmisor correspondiente a las zonas expuestas a la llama tales como el hogar, cámara húmeda y placas posteriores.

Factor de emisividad La temperatura de llama es factor muy importante, debido a que el calor radiante es directamente proporcional a la cuarta potencia de su valor, pero también es directamente proporcional al factor de emisividad (ε)

LA SUPERFICIE DE CONVECCIÓN Vendrá dada por la superficie real bañada por el fluido transmisor correspondiente a las zonas no expuestas a la llama. Normalmente sonlas superficies correspondientes a los tubos de humos o agua.

TRANSMISION DE CALOR EN CALDERAS CONVENSIONALES En las calderas de vapor de agua o agua caliente, ya sea del tipo pirotubulares o acuotubulares la transmisión de calor en el lado del agua es del tipo conectivo natural, el movimiento del agua se produce por diferencia de densidades entre las zonas calientes respecto de las frías.

ARTÍCULO

Mejoramiento de la eficiencia del caldero del comedor universitario utilizando energía solar térmica y Arduino para el monitoreo En este paper publicado por la IEEE se propone un sistema de alimentación basado en es la cual aprovecha el la energía solar para realizar una etapa de precalentamiento del agua lo cual generó una mejora en la eficiencia del caldero, la disminución de la emisión GEI y la disminución de los costos en consumo de combustible. A continuación se presenta un esquema del prototipo propuesto por la universidad de San Agustín.

Figura. Propuesta universidad de San Agustín

En esta figura puede observarse que el agua pasa por un intercambiador de Iones, el cual, luego es elevada por una bomba hacia los es donde se realiza el precalentado, después esta se almacena en dos tanques para después proceder a la distribución al Haz de tubos de la caldera. BIBLIOGRAFÍA 

Desarrollo de un Sistema de Control Avanzado de la Presión del Vapor en una Caldera de Tubos de Fuego, Ing. José Renato Rodríguez Vásquez.

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Mejoramiento de la eficiencia del caldero del comedor universitario utilizando energía solar térmica y Arduino para el monitoreo.

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Investigación, cuadro de comparaciones de calderas pirotubulares y aquatubulares, Diego Fernando Almanza Molina.

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Mejoramiento de la eficiencia del caldero del comedor universitario utilizando energía solar térmica y Arduino para el monitoreo, Universidad Nacional de San

Agustín, Perú,

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Modelo matemático de la transferencia de calor en el hogar de una caldera pirotubular

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https://www.ecured.cu/Bagazo_de_ca%C3%B1a

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https://es.idoub.com/document/225373147/Generalidades-Sobre-Calderas

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