UNIDAD NO. 3 CALDERAS

3.1 Generalidades de diseño de las calderas piro tubulares y acuotubulares.

3.2 Combustibles, quemadores y accesorios de calderas.

3.3 Producción de vapor y eficiencias de calderas.

3.4 Características del vapor saturado y sobrecalentado y sus aplicaciones.

3.5 Gases y emisión de partículas a la atmosfera.- Nociones de carburación, medición y control de emisiones.

INTRODUCCION

La caldera es el conjunto formado por el cuerpo de la caldera y el quemador y esta destinado a transmitir al agua (fluido caloportador) el calor liberado por la combustión.

Las calderas pueden utilizarse para la producción de vapor (para la generación de energía eléctrica o procesos de calefacción) o para la producción de agua caliente (para sistemas de calefacción o suministros de agua caliente sanitaria).

I.T.E.S.C.O

Los elementos básicos de que se compone una caldera; Tubo Hogar o cámara de combustión: habitáculo en el que se

realiza la reacción de combustión.

Cámara hogar: Es el elemento que recibe los humos procedente del tubo hogar

Quemador: dispositivo que se encarga de realizar la mezcla del combustible con el comburente para facilitar la combustión.

Intercambiador de calor: donde se realiza la transferencia de energía térmica obtenida con la combustión al fluido térmico.

Salida de humos: conducto que conduce los gases generados en la combustión hasta la chimenea.

I.T.E.S.C.O

La caldera es un mecanismo diseñado para transmitir el calor generado en un proceso de combustión a un fluido contenido en la caldera, que puede ser agua u otro fluido térmico.Las calderas pueden utilizarse para la producción de vapor (para la generación de energía eléctrica o procesos de calefacción) o para la producción de agua caliente (para sistemas de calefacción o suministros de agua caliente sanitaria).

Los elementos básicos de que se compone una caldera, son los siguientes: Hogar o cámara de combustión: habitáculo en el que se realiza la

reacción de combustión. Quemador: dispositivo que se encarga de realizar la mezcla del

combustible con el comburente para facilitar la combustión.

Intercambiador de calor: donde se realiza la transferencia de energía térmica obtenida con la combustión al fluido térmico.

Salida de humos: conducto que conduce los gases generados en la combustión hasta la chimenea.

I.T.E.S.C.O

3.1 Generalidades de diseño de las calderas piro tubulares y ventiladores.

Tipos de calderas

Calderas de fundición; por elementos, la transmisión de calor tiene lugar en el hogar, área de intercambio pequeña y rendimientos bajo; tienen poca pérdida de carga en los humos y por ello suelen ser de tiro natural.

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

Calderas murales; de diseño compacto y reducido, empleadas para instalaciones familiares deACS y calefacción actualmente se está incrementando su potencia y permiten asociamiento de varias.

I.T.E.S.C.O

Clasificación por Tª salida de los humos

Estándar: no soportan condensación, Tªret> 70ºC. Los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70° C de forma que se evita la condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes se producen pérdidas de energía con la consiguiente bajada del rendimiento de calientes, la caldera.

Baja Tª: soportan Tª agua retorno de 35 o 40ºC. Tubos de doble o triple pared ⇒gran tamaño

Condensación: la soportan de manera permanente. Calderas de condensación (salidas de humos a baja temperatura): Son calderas diseñadas para evacuar los humos a temperaturas próximas a la temperatura ambiente, sin que pueda resultar dañada por las condensaciones. Con este tipo de calderas, además de evitar pérdidas de calor con los humos, se recupera calor latente de condensación del vapor de agua que se ha formado en la combustión, con lo que se obtienen rendimientos elevados.

I.T.E.S.C.O

I.T.E.S.C.O

Caldera Piro tubular

Son calderas en las que tanto el hogar como los conductos de paso y salidas de humos son unos tubos sumergidos en agua, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada. El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos al agua que los rodea. Se utilizan para quemar combustibles líquidos o gaseosos, obteniéndose altos rendimientos de funcionamiento que alcanzan el 87%.

Campo de aplicación: Producción de vapor de 0.2 a 25 t/h (para un hogar) Presión de trabajo < 25 bar Generadores de agua caliente

Generadores de agua sobrecalentadaVentajas Construcción compacta Menores costes de adquisición y montaje que acuotubulares Rápida respuesta a puntas de consumo Alta calidad del título en vapor (≈ 1) Alto rendimientoInconvenientes: Producción límte de 0.2 a 25 t/h (para un hogar) Presión máxima 25 bar para un hogar.

I.T.E.S.C.O

I.T.E.S.C.OCaldera Acuotubular

En este tipo de calderas el agua o fluido térmico circula por dentro de unos tubos que conforman la cámara de combustión y que están inmersos entre los gases o llamas producidas por la combustión. El vapor o agua caliente se genera dentro de estos tubos. Con este tipo de calderas se puede trabajar con mayores presiones y potencias que con las pirotubulares.

Campo de aplicación: Producción de vapor ; de 1 a 200 t/h. Presión de trabajo > 25 bar Generadores de agua caliente Generadores de agua sobrecalentada

Inconvenientes Ato coste de adquisición Alto coste de montaje Baja calidad del vapor (título ≈ 0.85). Alta exigencia para el agua de alimentación Bajo rendimiento

I.T.E.S.C.O

3.2 Combustibles, quemadores y accesorios de calderas.

CombustibleEl combustible usado puede ser gaseoso, generalmente gas natural, butano, propano, etc.; líquido, generalmente gasóleo (también fuel) o una combinación de ambos (gas y gasóleo), en cuyo caso se denomina quemador mixto

QuemadorUn quemador es un dispositivo para quemar combustible líquido, gaseoso o ambos (excepcionalmente también sólido) y producir calor generalmente mediante una llama. Habitualmente va asociado a una caldera o un generador para calentar agua o aire, pero también se usa en procesos industriales para calentar cualquier sustancia.En función de su tamaño, los puede haber desde uno como un encendedor de cigarros para calentar una probeta hasta uno gigantesco capaz de producir 30 000 kW o más.

I.T.E.S.C.O

Accesorios de calderas

Válvulas MariposasVálvula de corte diseñada para operar en condiciones de baja precisión. No están diseñadas para ofrecer un cierre totalmente hermético, pero su asiento resistente permite esa posibilidad. Esta válvula es de instalación rápida

I.T.E.S.C.O

3.2 Combustibles, quemadores y accesorios de calderas.

Manómetros de PresiónLos manómetros tienen múltiples aplicaciones en bombas, compresores, maquinarias industriales, sistemas hidráulicos, etc. El material del tubo Bourdon y de los vástagos es a seleccionar, dependiendo de las condiciones de operación.

I.T.E.S.C.O

Filtro para Gas/OilLos filtros para gas-oil son utilizados principalmente en sistemas de alimentación de combustible para quemadores, también pueden ser usados para filtrar agua a altas temperaturas. 

El envase es de acero y esta diseñado para un rápido reemplazo del cartucho interno. El cartucho permite remover partículas hasta de 25 micrones. Las conexiones a las tuberías del filtro se encuentran en línea para facilitar la instalación.

Controles de Nivel de Agua para CalderasFuncionan a base de una ligera corriente eléctrica que pasa desde el tanque de metal al electrodo.  El fluido es el elemento que cierra o abre el circuito, activando el instrumento al entrar en contacto con el electrodo.  La corriente va a un control simple provisto de una bobina con dos o tres polos conectados a un relay. 

Este instrumento controla el nivel de líquidos en calderas, tanques elevados, cisternas, tanques hidroneumáticos, sistema de bombeo de aguas negras, etc.

I.T.E.S.C.O

Cepillo de Limpieza de TuberíaEspeciales para limpiar tubos de calderas. Desde ½ hasta 3”.

Transformador de IgniciónPuede reemplazar al 75% de los transformadores de hoy : Están disponibles en varios tamaños y especificaciones con voltajes que van de 6000 a 12000 voltios día, ya que permite ser adaptado a distintos quemadores al cambiarse la ubicación del conector. 

Estos transformadores están diseñados para trabajar en forma continua.

Electrodos de IgniciónSe utilizan para la ignición de quemadores de gas, gas-oil y otros. Aplicaciones en Calderas, calentadores de aire, incineradores, generadores de nitrógeno, secadores industriales, etc. 

Boquillas PulverizadorasEspeciales para altas capacidades van desde 1 G.P.H. hasta 20 G.P.H en 45 y 70 grados. 

Tapones FusiblesSe instalan entre el lado fuego y el lado agua de cualquier pared del envase a presión o colector principal de una caldera de vapor. Se colocan debajo del nivel mínimo de agua con el lado del material fusible dentro del líquido. Diámetro: 3/8, ½, ¾, 1”.

I.T.E.S.C.O

Juegos de Nivel de LíquidoVienen provistos de llaves de bronce fundido, con mango de baquelita para evitar la transferencia de temperatura

Llaves de PurgaEstán diseñadas con cuerpo de bronce pulido o rústico y operador de baquelita para evitar la transferencia de temperatura. El asiento de bola es de acero inoxidable para brindar eficacia y larga duración.

I.T.E.S.C.O

3.3 Producción de vapor y eficiencias de calderas.

I.T.E.S.C.O

El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua se vaporiza y es colectada en una o varias cámaras o tambores. El tamaño del tambor determina la capacidad de producción de vapor. En la parte superior del tambor de vapor se encuentra la salida o el llamado "Cabezal de vapor", desde donde el vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso.

En la parte superior del hogar mecánico se encuentra una chimenea de metal o de ladrillo, la cual conduce hacia fuera los productos de la combustión como gases. En el fondo de la caldera, normalmente opuesto del hogar mecánico, se encuentra una válvula de salida llamada "purga de fondo". Por esta válvula salen del sistema la mayoría del polvo, lodos y otras sustancias no deseadas, que son purgadas de la caldera.

En conjunto a la caldera existen múltiples controles de seguridad, para aliviar la presión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua es demasiado bajo o para automatizar el control de nivel del agua. Un tubo de vidrio con una columna de agua generalmente se incluye, para mostrarle al operador el nivel interno del agua en la caldera

I.T.E.S.C.O

Presiones en la caldera: La temperatura y la presión en la operación de cada caldera definitivamente están relacionadas, como se muestra en la siguiente tabla:

A presión atmosférica normal el agua tiene un punto de ebullición a 100ºC, a mayor presión el punto de ebullición se incrementa, hasta alcanzar un máximo punto de ebullición a 374oC a una presión de 3200 libras por pulgada2 (220.63 bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como liquido.

I.T.E.S.C.O

a) Nivel de exceso de aire.b) Régimen de fuego.c) Temperatura de los gases de chimenea.d) Temperatura de agua de alimentación.e) Temperatura del aire de combustión.f) Suciedad de las superficies de transmisión de calor.g) Purga h) Presión de Vapor i) Pérdidas de calor en las carcaza de la caldera.j) Combustible. P

I.T.E.S.C.OPARÁMETROS QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA

3.4 Características del vapor saturado y sobrecalentado y sus aplicaciones.

Vapor SaturadoComo se indica en la línea negra en la parte superior de la grafica, el vapor saturado se presenta a presiones y temperaturas en las cuales el vapor (gas) y el agua (liquido) pueden coexistir juntos. En otras palabras, esto ocurre cuando el rango de vaporización del agua es igual al rango de condensación.

I.T.E.S.C.O

Ventajas de usar vapor saturado para calentamientoEl vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen una gran fuente de calor, particularmente a temperaturas de 100 °C (212°F) y mas elevadas. Algunas de estas son:

I.T.E.S.C.O

Propiedad Ventaja

Calentamiento equilibrado a través de la transferencia de calor latente y Rapidez

Mejora la productividad y la calidad del producto

La presión puede controlar la temperatura

La temperatura puede establecerse rápida y precisamente

Elevado coeficiente de transferencia de calor

Área de transferencia de calor requerida es menor, permitiendo la reducción del costo inicial del equipo

Se origina del agua Limpio, seguro y de bajo costo

TipsHabiendo dicho esto, es necesario tener presente lo siguiente cuando se calienta con vapor saturado:La eficiencia de calentamiento se puede ver reducida si se usa un vapor diferente al vapor seco para los procesos de calentamiento. Contrario a la percepción común, virtualmente no todo el vapor generado en una caldera es vapor seco, si no vapor húmedo, el cual contiene algunas moléculas de agua no vaporizadas.La perdida de calor por radiación ocasiona que una parte del vapor se condense. Por lo tanto el vapor húmedo generado se vuelve aun mas húmedo, y también se forma mas condensado, el cual debe ser removido al instalar trampas de vapor en las locaciones apropiadas.Condensado el cual es mas pesado caerá del flujo de vapor y puede ser removido a través de piernas de condensado y trampas de vapor. Sin embargo, el vapor húmedo que es arrastrado reducirá la eficiencia de calentamiento, y deberá ser removido por medio de estaciones de separación en el punto de uso o en la distribución.El vapor que incurre en perdidas de presión debido a exceso de fricción en la tubería, etc., podría resultar también en su correspondiente perdida en temperatura.

I.T.E.S.C.O

3.5 Gases y emisión de partículas a la atmosfera.- Nociones de carburación, medición y control de emisiones.

Emisión de gases contaminantesLa actividad industrial produce la emisión de una gran cantidad de gases contaminantes a la atmósfera; vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno, ozono y CFCs (clorofluorocarbonos). 

Estos gases son los responsables de la calidad del aire que respiramos. Una concentración elevada de gases contaminantes puede producir enfermedades respiratorias e incluso la muerte a los seres vivos de la zona. 

Dos efectos de la acumulación de estos gases en la atmósfera son:

I.T.E.S.C.O

El Efecto Invernadero El Agujero de la Capa de Ozono

Se denomina agujero de la capa de ozono a la zona de la atmósfera terrestre donde se producen reducciones anormales de la capa de ozono, fenómeno anual observado durante la primavera en las regiones polares y que es seguido de una recuperación durante el verano. El contenido en ozono se mide en Unidades Dobson (siendo UD= 2.69 × 1016 moléculas/cm² ó 2.69 × 1020 moléculas/m²). En las mediciones realizadas en tiempos recientes se descubrieron importantes reducciones de las concentraciones de ozono en dicha capa, con especial incidencia en la zona de la Antártida. Se atribuyó este fenómeno al aumento de la concentración de cloro y de bromo en la estratosfera debido tanto a las emisiones antropogénicas de compuestos químicos, entre los que destacan los compuestos clorofluorocarbonados(CFC) utilizados como fluido refrigerante.

I.T.E.S.C.O

El efecto invernadero es un proceso en el que la radiación térmica emitida por la superficie planetaria es absorbida por los gases de efecto invernadero (GEI) atmosféricos y es reirradiada en todas las direcciones. Ya que parte de esta reirradiación es devuelta hacia la superficie y la atmósfera inferior, resulta en un incremento de la temperatura superficial media respecto a lo que habría en ausencia de los GEI. La radiación solar en frecuencias de la luz visible pasa en su mayor parte a través de la atmósfera para calentar la superficie planetaria y luego esta emite esta energía en frecuencias menores de radiación térmica infrarroja. Esta última es absorbida por los GEI, los que a su vez reirradian mucha de esta energía a la superficie y atmósfera inferior. Este mecanismo recibe su nombre debido a su analogía al efecto de la radiación solar que pasa a través de un vidrio y calienta un invernadero, pero la manera en que atrapa calor es fundamentalmente diferente a como funciona un invernadero al reducir las corrientes de aire, aislando el aire caliente dentro de la habitación y con ello no se pierde el calor por convección. Si un cuerpo negro ideal estuviese a la misma distancia del Sol que la Tierra, tendría una temperatura de cerca de 5,3 °C. Sin embargo, dado que nuestro planeta refleja un 30 % de la radiación entrante,5 6 la temperatura efectiva de este planeta hipotético (la temperatura de un cuerpo negro que reflejara la misma cantidad de radiación de la Tierra) sería cercana a −18 °C.7 8 La temperatura superficial de este planeta negro es 33 °C inferiores a la temperatura superficial real de la Tierra (de unos 14 °C).El mecanismo que produce esta diferencia entre la temperatura superficial efectiva y la real es debido a la atmósfera y es conocido como efecto invernadero.

I.T.E.S.C.O

Las partículas en suspensión (total de partículas suspendidas: TPS) (o material particulado) consisten en acumulación de diminutas piezas de sólidos o de gotitas de líquidos en la atmósfera ambiental, generada a partir de alguna actividad antropogénica (causada por «el hombre») o natural.Los contaminantes en partículas no son idénticos física y químicamente, sino más bien están constituidos por una amplia variedad de tamaños, formas y composiciones químicas. Algunos son mucho más nocivos para la salud, las propiedades y la visibilidad.El interés por las partículas atmosféricas se debe a dos causas importantes:Afectación del balance de la radiación terrestre. Efectos nocivos sobre la salud. Las partículas penetran en los pulmones, los bloquean y evitan el paso del aire, lo cual provoca efectos dañinos.

I.T.E.S.C.O

Emisión de partículas en una planta industrial.

Características de las partículas según su tamaño

I.T.E.S.C.O

   Fracción fina Fracción gruesa

Estado físico Gases Sólidos, gotas

Mecanismo de formación

Reacción química, nucleación, coagulación, evaporación de niebla y gotas en las que los gases se han disuelto y reaccionado

Molienda, abrasión, evaporación de aerosoles, suspensión de polvos.

ComposiciónIones sulfato, nitrato, amonio, hidrógeno, carbón elemental, compuestos orgánicos; metales.

Polvos resuspendidos, cenizas por la combustión de carbón o aceites óxidos metálicos (Si, Al, Ti, Fe), carbonato de calcio, sal polen, esporas, fragmentos de plantas o animales y residuos de llantas.

Solubilidad Principalmente solubles e higroscópicasPrincipalmente insolubles y no higroscópicas

Fuentes de emisión

Combustión de carbón, aceite, gasolina, diesel, madera; transformación atmosférica de NOx, SO2 y compuestos orgánicos incluyendo especies biogénicas; procesos a altas temperaturas, etc.

Resuspensión de polvo industrial y suelo de caminos, fuentes biológicas, construcción y demolición, combustión de carbón y aceite, brisa marina.

Período de vida media Días a semanas Minutos a horas

Distancia recorrida Cientos a miles de kilómetros Menos de 10 kilómetros

Nociones de carbonoTodo el objeto de la carburación se reduce a obtener una mezcla de aire y vapor de esencia en proporciones tales que, al explotar, produzca el máximo do calorías. Es indispensable, pues, para determinar cuál ha de ser la proporción más conveniente en que han de entrar los componentes en la mezcla, conocer la naturaleza de los cuerpos que la constituyen.Aire. El aire atmosférico se compone de 21 partes de oxígeno, 79 de nitrógeno y de otros gases inertes. Solamente el oxígeno desempeña un papel activo en la combustión.Esencia. La esencia de petróleo, que es la que se emplea en la generalidad de los motores, es un cuerpo no definido químicamente. Se obtiene por destilación fraccionada del petróleo bruto.Se llama esencia el líquido procedente de la condensación de los vapores que se desprenden entre las temperaturas de 60º y 130°. Está, pues, constituida por una mezcla de diversos carburos saturados, tales como el exano (C6H14), el eptano (C7H16), el octano (C8H18) y el nonano (C9H20). De ellos, el que predomina, es el eptano. En lo que sigue supondremos, pues, que la esencia está constituida únicamente por el eptano puro.

I.T.E.S.C.O

Medición y Control de emisiones a la atmósfera

Los sistemas de medición de emisiones a la atmósfera están constituidos por el conjunto de métodos que tienen como objetivo analizar cuantitativamente los contaminantes presentes en el flujo de gases generado en instalaciones o procesos. En instalaciones industriales, la medición de emisiones a la atmósfera se realiza tanto para verificar el cumplimiento de la normativa como para determinar, entre otros parámetros, las alteraciones que se puedan producir en los procesos de fabricación. Existen diversos sistemas de medición y control de las emisiones. La elección de un método u otro depende principalmente del tipo de contaminante a analizar y de todos aquellos factores que pueden afectar a la exactitud y precisión de los resultados, como por ejemplo, las condiciones particulares de la instalación, el tipo de proceso que se realiza, las condiciones de emisión, etc.

I.T.E.S.C.O

INTEGRANTES Jairo Chico Rosario

Diego Guadalupe Estrada Zarate

Miguel Ángel Godínez Torres

Camilo Málaga Chagala

Octavio Salinas Muñoz

I.T.E.S.C.O

I.T.E.S.C.O