3.Calderas

CALDERAS

CALDERA

Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para

generar vapor saturado.

CALDERA

Éste vapor se genera a través de unatransferencia de calor a presión constante,en la cual el fluido, originalmente enestado liquido, se calienta y cambia deestado.

Caldera

La caldera es todo aparato a presión en donde elcalor procedente de cualquier fuente de energía setransforma en energía utilizable, a través de unmedio de transporte en fase líquida o vapor.

Las calderas son un caso particular deintercambiadores de calor, en las cuales se produceun cambio de fase. Además son recipientes a presión.

Las calderas son parte fundamental de las centralestermoeléctricas para generar electricidad a través deun ciclo Rankine.

CALDERAS

Las calderas: la energía de un Combustible se transforma en calor para el calentamiento de un fluido.

Partes:•Hogar•Quemador•Humos•Intercambiador de calor•Fluido caloportador•Chimenea.

DEFINICION DE CONCEPTOS

DEFINICION DE CONCEPTOS:

Agua de alimentación: Es el agua de entrada quealimenta el sistema.

Condensados: Es el agua que proviene delcondensador y que representa la calidad delvapor.

Vapor seco: Vapor de óptimas condiciones.

Vapor húmedo: Vapor con arrastre de espuma.


Unidades

BHP: Boiler Horse Power , (caballo de caldera) equivale a la evaporación de 34.5 lb/hr, 212 F y 14.7 Psig o 33.475 BTU/hr

EFICIENCIA: Relación entre energía bruta suministrada y la energía neta disponible


REL AIRE/COMBUSTIBLE Cantidad de aire requerido para quemar una determinada cantidad de combustible

TURN DOWN: Relacion entre carga mínima y carga máxima de una caldera

A.S.M.E. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL

ENGINEERS

AIRE TEORICO: Aire requerido para producir los siguientes procesos de oxidación:

C + O2 = CO2

2H2 + O2 = 2H2O

2C + O2 = 2CO

S + O2 = SO2


TIPOS DE CALDERAS

CLASIFICACION

PIROTUBULARES

ACUOTUBULARES

CLASIFICACION

PIROTUBULARES◦ Cámara trasera seca

◦ Cámara trasera húmeda

◦ Parrilla viajera interna

◦ Parrilla viajera externa

◦ Parrilla estática inclinada

CLASIFICACION

ACUOTUBULARES◦ Circulación Natural

Compactas

Industriales

◦ Circulación controlada

◦ Circulación forzada

CALDERAS

Diseño◦ Acua-Tubular Tipo “D”

Tipo “O”

Tipo “A”

Múltiples Tambores

◦ Piro-Tubular Un Paso

Múltiples Pasos

CALDERAS

Acua-Tubulares◦ Ventajas Amplio Rango de Presiones

Capacidad de Producción Ilimitada

Alta Transferencia de Calor

Economizadores - Sobrecalentadores

Facilidad de Uso de Diferentes Combustibles

Alta Pureza de Vapor

CALDERAS

Acua-Tubulares◦ Desventajas Alto Costo

Requieren de Grandes Espacios

Agua de Alimentación de Alta Pureza

CALDERAS

Piro-Tubulares

Ventajas

Variaciones en Capacidad de Carga

Fáciles de Reparar

Requieren de Poco Espacio Físico

Relativo Bajo Costo

Fácil Instalación

CALDERAS

Piro-Tubulares

Desventajas

Bajas Presiones

Capacidad de Producción Limitada

No tienen Economizadores-Sobrecalentadores

Uso de un Solo Tipo de Combustible

Baja Pureza de Vapor

CLASIFICACION

POR TIPO MATERIAL◦ Calderas de fundición

◦ Calderas de acero

◦ Calderas murales

CLASIFICACION

POR SU APLICACIÓN◦ Usos domésticos

◦ Generación de energía para plantas termoeléctricas

◦ Plantas de cogeneración

◦ Generación de vapor o agua sobrecalentada en plantas industriales

CLASIFICACION

POR EL COMBUSTIBLE◦ Sólidos

◦ Líquidos

◦ Gaseosos

POR SU DISEÑO◦ Atmosféricas

◦ De depresión

◦ De sobrepresión

CLASIFICACION

POR EL FLUIDO CALOPORTADOR

◦ Agua

◦ Aceite

POR LA POSICION DE LOS TUBO◦ Verticales

◦ Horizontales

CLASIFICACION

POR LA UBICACIÓN DEL HOGAR

◦ Hogar interno

◦ Hogar externo

TIPOS DE CALDERAS CLASIFICACIÓN POR LOS MATERIALES– Calderas de fundición: por elementos, la transmisión de calor tiene lugar en el

hogar, área de intercambio pequeña y rendimientos bajo; tienen poca pérdidade carga en los humos y por ello suelen ser de tiro natural.

–Calderas de acero; combustibles líquidos o gaseosos, por lo que tienen unamayor superficie de contacto y su rendimiento es mejor.

–Calderas murales; de diseño compacto y reducido, empleadas parainstalaciones familiares de ACS y calefacción actualmente se estáincrementando su potencia y permiten asociamiento de varias.

CALDERAS MURALES

TIPOS DE CALDERAS

CLASIFICACIÓN POR SU APLICACIÓN

–Usos domésticos: calefacción, ACS o mixtas.

–Generación de energía para plantas termoeléctricas:para la generación de vapor sobrecalentado a altaspresiones.

–Plantas de cogeneración: usan los gases calientes deescape son calderas llamadas de recuperación.

–Generación de vapor o agua sobrecalentada en plantasindustriales.

TIPOS DE CALDERAS

CLASIFICACIÓN POR LA TOMA DE AIRE:

–Circuito abierto y tiro natural.

–Circuito abierto y tiro forzado.

TIPOS DE CALDERAS

CLASIFICACIÓN POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE:

–Sólidos: engorrosas de operar por la alimentación, lascenizas y suciedad que generan y el difícil control de lacombustión.

–Líquidos: el combustible deber ser pulverizado o vaporizadopara que reaccione con el aire.

–Gaseosos: de combustión más fácil pero más peligrosa quelos líquidos.

TIPOS DE CALDERAS

Clasificación por su diseño

–Calderas atmosféricas.

–Calderas de depresión: funcionan por la depresión que secrea en la chimenea o por un ventilador que aspira; se evita lasalida de humos al local.

–Calderas de sobrepresión: los gases circulan empujados porun ventilador; por lo que los gases circulen más rápido que enlas calderas de depresión.

TIPOS DE CALDERASPOR LA TEMPERATURA

•Estandar: no soportan condensación, Tªret> 70ºC.

•Baja Tª: soportan Tªagua retorno de 35 o 40ºCTubos de doble o triple pared ⇒gran tamaño

•Condensación: la soportan de manera permanente

TIPOS DE CALDERAS

Clasificación de las calderas por el fluido caloportador

–Calderas de agua.

–Calderas de aceite térmico.

Tipos de caldera:

Pirotubulares: en este tipo el fluido enestado líquido se encuentra en unrecipiente, y es atravesado por tubos porlos cuales circula fuego y gases productode un proceso de combustión.

la llama se forma en el hogar pasando loshumos por el interior de los tubos de lospasos siguientes para ser conducidos a lachimenea; presentan una elevada perdidade carga en los humos. El hogar y lostubos están completamente rodeados deagua.

CALDERAS PIROTUBULARES

CIRCUITO EN CALDERA PIROTUBULAR

PASOS EN CADERA PIROTUBULAR

TIPOS DE CALDERAS

PIROTUBULARES◦ Cámara trasera seca

◦ Cámara trasera húmeda

◦ Parrilla viajera interna

◦ Parrilla viajera externa

◦ Parrilla estática inclinada

TIPOS DE CALDERAS

PIROTUBULARES CÁMARA TRASERA SECA

Se caracteriza porque la parte posterior es de refractario.

Son para combustibles gaseosos y líquidos

Son de dos o tres pasos de gases

TIPOS DE CALDERAS

CALDERAS PIROTUBULARES CAMARA TRASERA HUMEDA

La cámara trasera es enfriada por agua, evitando recalentamiento.

TIPOS DE CALDERAS

CALDERAS PIROTUBULAR PARRILLA VIAJERA INTERNA

Posee dentro de la cámara de combustión una parrilla viajera para efectuar la combustión sobre un lecho de carbón.

Incluye una serie de equipos auxiliares como:◦ Colector de ceniza◦ Ventilador de tiro inducido◦ Cámara de combustión◦ Tubos de mayor diámetro

CALDERAS ACUOTUBULARES

Son aquellas en las que elfluido de trabajo sedesplaza a través de tubosdurante su calentamiento.

Son las más utilizadas enlas centralestermoeléctricas, ya quepermiten altas presiones asu salida, y gran capacidadde generación.

Tipos de caldera:

Acuotubulares:

La llama se forma en unrecinto de paredes tubularesque configuran la cámara decombustión. Soporta mayorespresiones en el agua, pero esmás costosa, tiene problemasde suciedad en el lado delagua, y menor inercia térmica.

SE CLASIFICAN EN TRES TIPOS:

TIPO “D” (2 DOMOS)TIPO “O” (2 DOMOS)TIPO “A” (3 DOMOS)


CALDERA ELECTRICAS

PARTES DE UNA CALDERA Y EQUIPOS AUXILIARES

COMPONENTES PRINCIPALES

Los componentes principales de las calderas pirotubulares, son lossiguientes:

ENVOLVENTE O CUERPO: Es el cilindro metálico, dentro del cualse evapora el agua, rodeando los tubos flux y el hogar.Normalmente se fabrica en placa de acero SA-515 Grado 70, conuna resistencia de 1,230 Kg/cm2. En el exterior de este cilindro, seinstala aislamiento térmico protegido con una cubierta exterior delámina.

ESPEJOS: Son las tapas planas de ambos extremos delenvolvente, a estos se les hacen barrenos para instalarles losfluxes y el hogar; estos barrenos le restan resistencia mecánica alos espejos, lo cual tiene que compensarse con un espesor mayor.Normalmente se fabrican en el mismo tipo de acero que elenvolvente, o en placa de acero SA-285 Grado C, con unaresistencia de 970 Kg/cm2.

FLUXES: Son los tubos que van dentro del envolvente, conectados alos espejos, dentro de los cuales pasan los gases de la combustióndespués de salir del hogar, es decir, después de efectuar su primerrecorrido o “paso” dentro de la caldera; dependiendo del fabricante,las calderas pirotubulares actuales pueden ser de 2, 3 ó 4 pasos, porlo que el recorrido de los gases dentro de los fluxes puede ser por unsolo grupo de tubos, por 2 o 3.

Los fluxes se sujetan a los espejos rolándolos, y riobeteándolos, yaunque su función es transferir por su cuerpo el calor de los gasescalientes de su interior, hacia el agua que los rodea, también sirvenpara dar resistencia mecánica a los espejos.

Los fluxes se fabrican en acero SA-178 Grado A.

TAPAS: Éstas cubren los espejos de la caldera restringiendo el flujode gases sólo entre los diferentes pasos, o de éstos a la chimenea.

En el caso de las calderas de tapa seca, éstas llevan materialrefractario en su interior para evitar la perdida de calor por radiaciónhacia el exterior de la caldera.

Este material refractario es muy sensible a los cambios bruscos detemperatura, que provocan su agrietamiento, además de complicarlas maniobras con las tapas debido a su elevado peso.

En las calderas con tapa “humeda”, se reducen los problemasmencionados de fuga de gases entre los pasos, radiación de calor alexterior, agrietamiento y maniobras.

HOGAR DE LA CALDERA

COMPONENTES PRINCIPALES

HOGAR O FOGÓN: Es el tubo instalado dentro del envolvente,conectados a los espejos y dentro del cual se efectúa lacombustión.

A través de su cuerpo se cede el calor de la flama al agua que lorodea. Como este componente es el que tiene la temperatura másalta dentro de la caldera, su ubicación en las calderas de paredseca, es en la parte inferior de los fluxes; en las calderas de tapahúmeda (“wet back”) su ubicación es al centro del envolvente. Elmaterial con el que se construye el hogar es acero SA-285 GradoC.

Éste es un componente crítico en cuanto a resistencia mecánica,ya que la presión del vapor y el agua de la caldera, tienden aaplastarla, por lo que algunos fabricantes los construyen“corrugados” ó en acero de más resistencia como el SA-215 Grado70.

QUEMADOR

QUEMADOR: La función de éste, es mezclar eficientemente elcombustible y el aire para que la energía liberada en la combustiónsea la más elevada posible al usar un exceso de aire reducido en lamezcla.

EQUIPOS AUXILIARES

AGUA DE CALDERAS

Agua de circuito interior de la caldera cuyascaracterísticas dependen de los ciclos y delagua de entrada.

Circuito del fluido caloportador

El caso normal es que sea agua, y la fuerza impulsora:

–Red de abastecimiento (circuitos abiertos),

–Bombas circuladoras

–Por termosifón (diferencia de densidades del agua caliente y fría,poco empleado).

Hay que considerar la pérdida de carga que supone la caldera.

En las calderas de vapor, el caudal de alimentación será la sumadel vapor generado, más las purgas que se realicen.

La parte del agua que no se vaporiza va aumentando el contenidode sales, lo que obliga a realizar purgas para mantener esaconcentración.

En las calderas de agua sobrecalentada no se suele consumiren los procesos, sino que se recircula, por lo que, únicamentehabrá que reponer el agua perdida en eventuales fugas y purgas.

El caudal de agua de aportación es mucho menor que en las devapor y la concentración de las sales del agua apenas varía .

DESAIREADOR

Es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.

PURGA DE FONDO

Evacuación de lodos y concentradodel fondo de la caldera.

CONDENSADOR

Sistema que permite condensar el vapor.

CHIMENEAS

Tiro

Es la diferencia entre lapresión de la caldera y lapresión atmosférica.

El tiro es necesario para elfuncionamiento del hogar deuna caldera, con el fin depoderle suministrar el airenecesario para la combustióndel combustible y arrasar losgases quemados hacia elexterior a través de lachimenea

Tiro Natural

Se produce por el efecto generado por una chimenea. Su valor depende de la altura de la boca de la chimenea sobre el nivel del emparrillado del hogar

Tiro Mecánico

Es el tiro creado por laacción de inyectores deaire, vapor o medianteventiladores, el cual serequiere cuando debamantenerse undeterminado tiro conindependencia de lascondiciones atmosféricasy del régimen defuncionamiento de lacaldera

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