PLANTAS TÉRMICASUNIDAD I

CLASIFICACIÓN , DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE CALDERAS

ACUOTUBULARES Y PIROTUBULARES ASESOR: MC. Cardiel Vela PaulaINTEGRANTES DE EQUIPO:

Leyva Romero Francisco Rubén

Terrones Pulgarin Luis Gustavo

Un generador de vapor o caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería, donde la energía química, se transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en las turbinas de vapor para generar vapor, habitualmente vapor de agua, con energía suficiente como para hacer funcionar una turbina en un ciclo de Rankine modificado.

GENERADOR DE VAPOR O CALDERAS

CALDERA ACUOTUBULAR

Simplicidad en construcción Esta diseñada para acomodar la expansión y

contracción según las propiedades de los materiales

Esta adecuada para entregar vapor limpio y tiene buena circulación de agua

Tiene aditamentos en el horno para maximizar el ritmo de la transferencia de calor

LA CALDERA IDEAL INCLUYE

La cámara de vapor. Es un espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, es allí en donde se efectúa el proceso de separación del vapor del agua. El volumen de esta cámara dependerá del consumo de vapor, cuanto mayor éste sea, más grande será dicha cámara.

La cámara de agua por su parte, es un espacio que se encuentra dentro de la caldera.

Cámaras principales de las calderas

Las calderas de tubos de agua tuvieron su origen a finales del siglo XVIII, pero el modelo original dista mucho de lo diseños de hoy día. Una caldera acuotubular consta básicamente de tambores y de tubos.

Las calderas acuotubulares son de dos tipos: De tubos horizontales rectos y de tubos doblados. Ver figura No. 3.

Están constituidas por

bancos de tubos que por lo general están en zíg zag con una inclinación de 15° a 25° para favorecer la circulación

FIG # 3

CALDERAS ACUOTUBULARESTIPOS:

CALDERAS DE TUBOS DOBLADOS

Este diseño ofrece mayor flexibilidad pues donde la altura libre es limitada la caldera puede hacerse ancha y baja, o puede ser alta y estrecha en los sitios donde la limitante sea la amplitud.

Una caldera de tubos de agua es aquel en el que los productos de la combustión (gases de combustión) pasan alrededor de los tubos que contienen agua. Los tubos están interconectados a los canales de agua común y la salida de vapor. La caldera se compone de dos colectores o domos a los que van a conectar todos los tubos de la caldera, con dos o más columnas de circulación natural, según sea el tamaño de la caldera. La configuración de la caldera es de hogar de pared de tubos y retorno en la parte posterior del hogar, para pasar al segundo paso y giro en la parte anterior para entrar en el tercer paso de humos y de ahí la salida a la chimenea.

GENERALIDADES DE CALDERAS DE VAPOR ACUOTUBULARES

CALDERAS DE VAPOR ACUOTUBULARES

Circulación en una caldera acuotubular

Las calderas acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor.

En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja.

CALDERAS DE PEQUEÑO VOLUMEN DE AGUA ACUOTUBULARES

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.

A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

Las calderas acuotubulares difieren de las calderas pirotubulares en que el agua circula dentro de los tubos con la fuente de calor rodeándolos. Esto significa que pueden usarse presiones más altas porque el diámetro del tubo es significativamente más pequeño que el cuerpo en la caldera pirotubular, y por consiguiente la tensión circunferencial también es significativamente menor.

Sólo es necesario usar una caldera acuotubular si se requiere un rendimiento individual superior a 27.000 kg/h o presiones superiores a 27 bar o temperaturas de vapor superiores a 340°C.

Por todo el mundo, las calderas acuotubulares compiten con calderas pirotubulares para tamaños inferiores a 270 bar r. Para darnos una idea de la diversidad de calderas acuotubulares, las unidades varían entre aproximadamente 2.000 kg/h hasta las de3.500.000 kg/h y superiores que impulsan las centrales eléctricas

Un ejemplo de estas calderas es la caldera acuotubular STEINMÜLLER. Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilíndrico, en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el vapor que se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador.

La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura. Desde su construcción estaban preparadas para quemar carbón

TIPOS DE CALDERAS ACUOTUBULARES

Las calderas de vapor verticales acuotubulares OLMAR, están formadas por un tubo de gran diámetro en su interior al que se acoplan una serie de colectores por los que circula el agua.

Las calderas verticales OLMAR, se construyen con producciones que varían desde la obtención de 70 Kg/h hasta 1.200 Kg/h y a unas presiones comprendidas entre 2 y 14 Kg/cm2. Se utilizan distintos tipos de combustibles, pero no solo los líquidos, sino que las calderas verticales OLMAR, permiten la construcción de hogares especiales para combustibles sólidos, tales como orujillo, madera, e incluso en algunos casos se fabrican con hogares mixtos para combustibles solidos-liquidos.

Figura 1-6. Caldera paquete acuotubularEn algunos casos este calderín inferior es sustituido por colectores, como es el caso de la caldera de recuperación de la Figura 1-7.

Figura 1-7. Caldera acuotubular de recuperación 

Circulación en una caldera acuotubular

• La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi.

• Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP. • Por su fabricación de tubos de agua es una caldera

"INEXPLOSIBLE". • La eficiencia térmica está por arriba de cualquier

caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.

• El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.

VENTAJAS:

• Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.

• Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.

• Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.

• Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.

• El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%

CALDERAS PIROTUBULAR

E

GENERADOR DE VAPOR O CALDERAS

CALDERA PIROTUBULAR

Las calderas pirotubulares hacen pasar el calor a través de los tubos que a su vez transfieren calor al agua que les rodea.

CRITERIOS DE DISEÑO

Se basa principalmente en el hogar y en los pasos de los gases a través de los tubos de retornos.

se pueden diseñar con diferentes pasos de los tubos de humo por el recipiente con agua. El hogar se considera el primer paso y cada conjunto de tubos en el mismo sentido un paso adicional (Figura 1-5). Las calderas pirotubulares suelen trabajar hasta unos 20 bares

CONSTRUCCIÓN: Casco. Fluxes. Caja de fuego. Caja de humo. Puertas. Placas deflectoras internas. Soportes

Clasificación:

1. Calderas tubulares, horizontales de retorno.

2. Calderas tipo locomóvil.3. Calderas de fogón corto.4. Calderas compactas.5. Calderas escocesas.6. Calderas verticales.7. Calderas residenciales.

Calderas tubulares horizontales de retorno

La caldera tubular horizontal de retorno, fue posiblemente el tipo de caldera mas usado entre la calderas de tubos de humo para presiones hasta de 1.7 Mpa y capacidades comprendidas entre 454 y 6 800 kg.m2/ h de vapor.

Costo de instalación.- como esa caldera y sus cimentaciones son de construcción sencilla su costo de instalación es bajo.

Diseño.- consta de un casco cilíndrico dotado de tapas planas que forman los espejos en los extremos y entre las cuales se colocan los fluxes de humo. Todos los fluxes son del mismo diámetro y longitud.

Flujo del gas. El combustible es quemado abajo del extremo frontal del casco. Las flamas y los gases calientes actúan contra el fondo del cuerpo redondo de la caldera y pasando por encima de la pared de altar, lo barren en toda su extensión, para llegar al extremo posterior de la obra de mampostería.

Circulación. El agua circula de arriba hacia abajo a lo largo de las paredes del casco, elevándose nuevamente por entre los fluses.Combustibles y combustión de los mismos . Las calderas tubulares horizontales de retoro, se adaptan a todos los combustibles y a cualquier tipo de alimentación de los mismos. La única limitación estriba en la alimentación manual de las unidades grandes.

Capacidad. La capacidad de las calderas tubulares horizontales de retorno, se basa nominalmente en la proporción de 0. 929 m2 (10 pies2) de superficie de calefacción por caballo de caldera, las calderas de este tipo trabajan con una eficiencia del 70%.

CALDERAS TIPO LOCOMOVIL

La caldera tipo locomóvil es una adaptación modificada de la caldera usada en las locomotoras de ferrocarril.

Costo. La caldera tipo locomóvil tiene un costo de construcción razonable y es la mas barata de todas.

Diseño. La caldera tipo locomóvil se compone de un fogón dotado de chaqueta de agua, con un casco cilíndrico que se fija a la parte posterior del fogón.

Flujo de los gases. Esta caldera es de fuego interno y las flamas y gases calientes que salen de la zona del hogar , pasan a través de los fluxes. Saliendo de los fluxes entran a la caja de humo de donde escapan a la atmosfera por una chimenea corta.

Circulacion del agua. Una vez caliente, el agua se desliza hacia arriba a través de la parte angosta y de las paredes del agua. regresando al cuerpo cilíndrico.

Tratamiento del agua. las calderas de este tipo son excelentes para usarse en comarcas en donde el agua es de mala calidad.

Capacidad. Es capaz de resistir un sobrecalentamiento considerable. No es recomendable su operación con una sobre carga de mas de 150% de su capacidad.

CALDERAS PARA LOCOMOTORAS La caldera para una locomotora de ferrocarril es una maquina altamente perfeccionada y no debe confundirse con la caldera del locomóvil, relativamente simple. Se construye de acuerdo con una sección diferente del código de normas ASME para calderas.

Las calderas para locomotoras van dotadas de uno o mas domos, que tiene por objeto acrecentar la distancia entre la superficie del agua de la caldera y la salida del vapor, con lo que se reduce el arrastre del agua.

El agua se suministra a la caldera por medio de un inyector de vapor algunas calderas de alta presión.

Calderas de fogón corto

Las portátiles se usan por lo común para instalaciones de calefacción.Las construidas en cimentaciones se usan para generaciones de fuerza.

CostoEl costo de esta caldera ya instalada es económico. Tiene mayor superficie de calefacción por unidad de área de piso que las calderas horizontales de retorno y las de tipo locomóvil.

Flujo de los gases de combustiónLos gases entran por el frente del primer retorno, de donde pasan a la caja de humo en el extremo de atrás y se deslizan por el segundo retorno para desfogar en la caja de humo de la que parte la chimenea.

Diseño

CirculaciónEl agua se desliza por la pared de la envolvente de arriba hacia abajo para luego subir por entre los fluses. La circulación en estas calderas es bastante buena. Tienen una gran capacidad de agua y una superficie de evaporación conveniente.

Combustibles y combustiónSe adapta a toda clase de combustible y a cualquier tipo de combustión.

CapacidadSu eficiencia es un poco mas alta que la de las calderas horizontales de retorno y que las de tipo locomóvil. Su mejor régimen de operación está entre 17 y 24.4 kg/m2/h de vapor y no debe operarse a mas de 34.2 kg/m2/h.

Calderas compactas

Son usadas para servicio de calefacción de grandes residencias y para instalaciones comerciales y de edificios públicos. Es una caldera de triple retorno. El tipo mas común es el portátil de hogar de caja que requiere una cimentación mínima. Los límites de su capacidad están entre 159 y 5670 kg/h de vapor.

CostoEl costo de la caldera instalada es bajo. Es ideal para el sobrecalentamiento; posee el máximo de superficie de calefacción por unidad de área de piso ocupada, en comparación con todos demás tipos usuales de calderas horizontales de tubos de humo.

Diseño

Flujo de gas

Circulación

Combustibles y tipo de combustiónLa caldera compacta es adaptable a toda clase de combustibles y cualquier sistema de combustión.

CapacidadSu eficiencia es superior a la de otros tipos de calderas y alcanza hasta el 80%. Trabaja bien a un régimen similar al de las calderas de fogón corto.

Calderas escocesas

Es la que mas se fabrica como unidad generadora de fuerza, para capacidades de alrededor de 6804 kg/h (15000 lb/h) de vapor y presiones hasta de 1.7 MPa (250 lb/plg2)

La caldera escocesa es económica en su costo inicial, ocupa un mínimo de material refractario y su instalación es sencilla, esta caldera se compone de un cuerpo cilíndrico, con uno o mas fogones cilíndricos internos, montados dentro de la sección inferior y dotada de una o mas secciones de fluxes de retorno, que se fijan a los espejos de sus dos extremos. El hogar esta formado por un tubo plano, soportado en los espejos de la caldera, este tubo puede ser reforzado mediante anillos exteriores soldados. Los tubos de dimensiones mayores van corrugados.

En este tipo de calderas no hay infiltración de aire por lo que se operan con tiro forzado o con tiro inducido.

Flujo de los gases.- el combustible se quema en la sección frontal del tubo de fuego, la combustión ocasiona una corriente hacia atrás y los gases son empujados hacia la cámara de combustión posterior, de donde pasan a la sección de fluxes de retorno y llegan a la caja de humo para ser expulsados, en esta caldera el agua asciende por entre los fluxes, el agua mas fría baja a lo largo de la pared del cuerpo , para subir luego circundando el tubo del fogón y completar el ciclo.

El aceite y el gas son combustibles ideales en calderas escocesas ya que el quemador que produce una flama cónica, se adapta el tubo del fogón así favoreciendo el proceso de combustión.

La capacidad de estas calderas se sujetan al código de SBI que se operan a un régimen de vapor que fluctúa entre 24.4 y 34.2 kg/m2/h sin dificultad y manteniendo una eficiencia del 75 a 80%, una caldera de paquete garantiza una eficiencia de 80% o mas con una carga que varia entre el 20 y el 100% de su capacidad nominal

Esta caldera fue inicialmente diseñada en condiciones para ser instalada en embarcaciones, para obtener el máximo posible de superficie de calefacción, se utilizo el modelo de cabezal posterior de chaqueta de agua, dando acceso a la cámara de combustión trasera a través del tubo del fogón, después se adapto a los servicios terrestres (estacionarios)

La caldera escocesa es adaptable al tipo de paquete, este diseño modificado es ofrecido al mercado con quemador de combustible, ventilador de tiro , bomba de alimentación de agua, aislamiento térmico, base de acero estructural, accesorios y controles.

Calderas verticalesLa caldera vertical de tubo de humo se fabrica para dos

clases de usos completamente diferentes:1.- Para generación de fuerza.2.- Como caldera de agua caliente para servicio

residencial.

DISEÑO. La caldera vertical de tubo de humo se compone de un

cuerpo cilíndrico de acero con fluxes que conectan el cabezal.

Existen 3 tipos diferentes de diseño:1.- el tipo recto.2.- la de cuerpo intermedio cónico.3.- la caldera de Manning (con un rebaje en la

envolvente).

FLUJO DE LOS GASES.Los gases de la combustión pasan directamente del fogón

a través de los fluxes verticales, para la chimenea.

CIRCULACION DEL AGUA. Una ves caliente, el agua que toma contacto con la superficie del

fogón se eleva pasando a lo largo del los fluxes, para bajar nuevamente por la superficie exterior del cuerpo de la caldera.

TRATAMIENTO DE AGUA.Como todos los precipitados se acumulan en el fondo de la

camisa de agua del fogón , no importa que el agua de alimentación contenga cantidades altas de precipitados, sedimentos, o fango, ya que estos no ocasionaran mayor molestia.

COMBUSTIBLE Y TIPO DE COMBUSTION.La caldera vertical de tubo de humo se adapta a cualquier clase

de combustión y para todos los tipos de combustión.CAPACIDAD.La caldera vertical es de baja eficiencia. A consecuencia del

tamaño de su fogón, no puede forzarse a mas del 125% de su capacidad.

Calderas Residenciales La caldera residencial se presenta en una variedad amplia de formas y

diseños, de los cuales un porcentaje muy alto es utilizado para la producción de agua caliente, mas que para proporcionar vapor.

DISEÑO.La caldera residencial es de construcción de acero con uniones de

soldadura, incluyendo los fluxes o los tubos especiales rectangulares.Deben tener una eficiencia no menor al 70% al probarse con el 150% de su

capacidad nominal.

FLUJO DE GASES.La caldera mas pequeña es una unidad de un solo paso, el diseño de la

calderas mas grandes pueden basarse en dos pasos.

CIRCULACION.La caldera residencial tiene un volumen de agua reducido, circulación

interior intensa y calentamiento rápido, como características.

TRATAMIENTO DE AGUA.La caldera residencial esta diseñada para una circulación al 100%.

COMBUSTIBLE Y COMBUSTION DE LOS MISMOS.Muchas calderas residenciales se fabrican solo para un combustible,

( puede ser de aceite, gas, o de combustión solido).

CAPACIDAD.Son de un alto rendimiento de aproximadamente 16817 Kcal/m/h.La eficiencia de la caldera es de alrededor del 60% o mas.

GUÍA TÉCNICA

SPIRAX SARCO

PDF

OPERATION STEAM PLANT

Mc Graw Hill

8° edición

BIBLIOGRAFÍA

¿Que es una caldera y cuáles son las partes principales de la caldera?

¿Cómo se compone una caldera de vapor acuotubular?

¿En que difieren las calderas acuotubulares de las pirotubulares?

¿Qué es una caldera pirotubular? ¿Qué tipo de combustible utilizan las

calderas pirotubulares?

PREGUNTAS