Introduccin

Los sistemas de produccin y uso del vapor tienen un amplio rango de aplicacin, lo que explica porque ms del 70% de la energa primaria que se consume en la industria es en hornos y calderas. Sin embargo, el auge del uso de los sistemas de generacin de vapor se ha visto afectado en los ltimos aos por el incremento en las tarifas de gas, agua y productos qumicos utilizados. Estos incrementos han hecho que el vapor de agua pase de ser uno de los servicios de menor cuanta a ser un rubro importante dentro de los costos de produccin. Por esta razn, cada vez es ms importante optimizar el uso de dichos recursos buscando que la produccin de vapor deforma industrial se mantenga viable. Esto es posible si se implementan tcnicas para el aumento de la transferencia de calor o la disminucin de la energa perdida, siendo el ltimo un tema permanente. Un caso particular son las aplicaciones industriales que, requiriendo vapor abajas presiones, lo producen en calderas convencionales a altas presiones y temperaturas para luego ser reducidas travs de una vlvula de estrangulacin, provocando una prdida de energa til. Como consecuencia, este trabajo pretende promover la construccin e implementacin de calderas de baja presin y de paso continuo compacta, econmica y portable para uso autnomo, cuyos usos abarcan la industria textil, la industria clnica, de alimentos y la produccin de vapor para el uso en zonas hmedas. Adicionalmente, este trabajo establece una base para su diseo y construccin, as como propende por la investigacin en el rea del cambio de fase de fluidos trmicos, ya que los resultados en la literatura se encuentran dispersos. Actualmente, las configuraciones ms usadas para generadores de vapor consisten en geometras de tubos rectos por los que circula agua que es evaporada mediante el calor proporcionado por gases provenientes de la cmara de combustin. La desventaja de dichas configuraciones es que ocupan mucho espacio y no poseen las mejores caractersticas de transferencia de calor, sin embargo tienen la ventaja de que estn ampliamente documentadas en la literatura en el clculo del coeficiente convectivo, para un fluido en dos fases en calderas de coraza y tubo, y en tubos simples rectos. Sin embargo, existen configuraciones alternativas de tubos curvos que ofrecen soluciones a espacios limitados y que simultneamente proporcionan altas tasas de transferencia de calor acompaadas de una baja cada de presin debido a la reduccin de la obstaculizacin del flujo con arreglos de menor cantidad de dispositivos (vlvulas, compartimientos de distribucin y paso, entre otros). Debido a la complejidad de los procesos de transferencia de calor y los patrones del flujo en dichas configuraciones, llevar a cabo estudios experimentales con el fin de obtener correlaciones para coeficiente convectivo de transferencia de calor en la zona de ebullicin resulta ms complicado que en las configuraciones de tubos rectos, lo que puede deducirse si se comparan las numerosas investigaciones realizadas para cada uno de ellos. La configuracin del generador de vapor estudiado en este trabajo corresponde a una geometra tronco-cnica helicoidal que toma ventaja de las caractersticas que poseen las aplicaciones de tubos curvos en la transferencia de calor y masa, lo que permite un ahorro en la energa utilizada para la vaporizacin. Al ser de paso continuo permite reducir la cantidad de equipos adicionales que se requieren en una caldera convencional como son los compartimentos intermedios y dispositivos utilizados en el control de presiones elevadas. Finalmente, con el fin de cuantificar la cantidad de energa transformada en el proceso degeneracin de vapor se determin el coeficiente convectivo de transferencia de calor forzada por ebullicin de forma experimental mediante la medicin de las variables termodinmicas del sistema como son la temperatura de la pared del tubo, la temperatura de entrada y salida del fluido, y la presin y el flujo msico del fluido.

Objetivos del ProyectoEste trabajo tiene como objetivo explicar el proceso de fabricacin de una caldera pirotubular de manera general, esta debe cumplir requerimientos de tcnicos, el diseo de esta caldera esta guiado por la seccin 4 y 8 del cdigo ASME para recipientes a presin, ya que es el procedimiento ingenieril ms confiable que posee todas las normas de factores de seguridad.

Qu son calderas?

Una caldera es un recipiente cerrado que genera vapor de agua a presiones superiores a la atmosfrica, absorbiendo parte del calor que desarrolla la combustin en el hogar.La caldera consta de: cmara de agua y cmara de vapor, ambas en un colector cilndrico generalmente horizontal. La cmara de combustin o llamada hogar y el conducto de salida de gases calientes ya quemados hacia la chimenea vertical. Paralelo al cuerpo de cmaras de vapor y agua posee un haz tubular que revive el calor de los gases y a veces partes de las llamas que calientan en forma ms activa. El calor se transmite en las calderas por radiacin desde las llamas, conveccin e induccin.

Partes de la Caldera

Hogar.Tambin se lo denomina fogn. El hogar posee un espacio en el cual el combustible y el aire pueden combinarse ntimamente para producir la combustin, es decir, que viene a ser prcticamente una cmara de combustin.Es extremadamente importante que el hogar sea diseado para proveer una adecuada altura, profundidad y anchura, para asegurar una combustin completa en los espacios debajo de los tubos.El hogar consiste de una estructura de planchas de acero, cubiertas de material refractario y material aislante, soportado por medio de ngulos de acero soldados o empernados a los colectores (domos) de agua o cabezales.El propsito del material refractario es:

Ayudar a mantener una alta temperatura en el hogar, por lo tanto acelerar la razn de combustin, para as estimular una combustin eficiente y completa. Resguardar y dirigir los gases calientes de la combustin a travs de tubos. Proteger la caldera de la exposicin directa de la llama y del calor radiante.

Es indispensable impermeabilizar el refractario del hogar, del aire y los gases dentro de lo posible. Adems, el enladrillado refractario debe ser resistente a cualquier accin qumica o mecnica de la escoria del combustible o ceniza.Al enladrillado del hogar se le debe permitir una libre expansin por los cambios de temperatura a los que se encuentra expuesto. Para solucionar este problema se deben proveer juntas de expansin en las paredes y piso del hogar.Las paredes de agua de los hogares de calderas son construidas de material refractario, pero tienen limitaciones inherentes con respecto a las razones de combustin que pueden soportar. El objetivo principal del uso de paredes de agua en las calderas es el de permitir altas razones de combustin y altas temperaturas, pues stas enfran el recubrimiento refractario permitiendo a ste soportar condiciones extremas de temperatura.La circulacin del agua por la pared de tubos, es completada por los tubos descendentes externos que comunican el cabezal de la pared de agua con el colector de vapor.

Quemadores.Los quemadores proveen un medio para pulverizar el combustible dentro del hogar y la mezcla ntima del combustible, finalmente pulverizado con suficiente aire para mantener la combustin.Los quemadores estn generalmente instalados con sus ejes geomtricos a la pared frontal del hogar.

Tanque de presinEl colector de vapor consiste en un recipiente cilndrico horizontal que se encuentra lleno de agua y vapor, y en cuyo interior pasan los tubos.

Acumular el vapor que se genera en los tubos y proveer espacios para separacin de la humedad del vapor antes que abandone la caldera.

Proporcionar un depsito para recibir la cantidad de agua requerida para el adecuado funcionamiento de la caldera. Recibir y distribuir a los tubos de cada el agua de alimentacin que retorna a los colectores de agua.

Tubos.Los tubos se alejan de la caldera pirotubular y transportan el agua caliente/vapor. En un sistema abierto, estos tubos descargarn agua/vapor a otro lugar alejado de la caldera. En un sistema cerrado, sin embargo, estos tubos actan como venas y traen el agua calentada/vapor de agua completando el crculo de nuevo al depsito.

Proceso de manufactura de la caldera

Para la fabricacin de las calderas se utilizan aceros SA 516 Gr 70 y tubos SA 192. En primer lugar se cortan las planchas para dimensionar las lminas a usar en el cuerpo de la caldera segn las especificaciones de la caldera o los requerimientos del cliente; luego, se realiza un rolado de la lmina dimensionada para curvarla y darle la forma de la cuba de la caldera, despus, se pulen los bordes con el fin de prepararlos para soldarlos con una mquina de soldadura por arco sumergido que deposita un material especial que protege la soldadura de la contaminacin del aire. Por otro lado, se corta la plancha en forma circular para formar una placa circular, a la cual, luego se la perfora para obtener el fondo de la caldera denominado placa tubular. Seguido, se une mediante soldadura la cuba de la caldera con las placas tubulares, despus, se instalan los tubos que atraviesan de lado a lado la cuba y tambin se instala la cmara de combustin a la que se le adjunta un quemador. Llegada esta etapa, se realiza un test de presin hidrosttica para verificar que el tanque de presin soporte la presin para la cual es diseada la caldera. Una vez aprobado el test, se recubre el tanque de presin con material aislante y una camisa externa con el fin de impedir la prdida de calor. Finalmente, se ensambla el soplador que proporciona aire al quemador y a la cmara de combustin, y se ensambla la columna de agua que mide el nivel de agua dentro de la caldera. Completada la caldera, se la pasa por una prueba de calidad, en la cual, se enciende la caldera para verificar la cantidad de vapor generado y su presin.Diagrama de PITOC

E: Entradas, S: Salidas

PROVEEDORES

Planchas de acero, tubos de acero, quemador, soplador, aislante trmico, dispositivos de controlCLIENTES

Diseo de caldera, tamao de caldera, eficiencia, potencia de caldera, capacidades de operacin.