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Universidad NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
Curso: Maquinaria para la Industria Alimentaria Tema: Caldero Profesora: Francis, Cerrón Alumnas: Galindo Roca, Geraldine Najarro Chong, Ana Poma Pampamallco, Gladys
2014-II
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I.
INTRODUCCIÓN La energía se manifiesta de diversas maneras, un de las más perceptibles es el calor. La energía calórica es la fuerza impulsora para diversos procesos industriales. En la industria de alimentos por ejemplo, el calor se utiliza para los procesos de tratamiento térmico, así como otras transformaciones de los alimentos como es el caso del secado, liofilizado, refrigeración y congelación de alimentos, de esta forma el calor, y la utilización de la energía térmica han permitido el desarrollo de importantes métodos de conservación y transformación de los alimentos, favoreciendo el progreso de esta área. La generación industrial de vapor es el proceso mediante el cual se produce vapor a presiones por encima de la atmosférica, a partir de la energía de un combustible, o de energía eléctrica. El vapor producido será posteriormente utilizado en diferentes funciones de la fábrica, tales como aportación de calor en procesos o movimiento de máquinas El vapor de agua constituye el fluido energético ideal para la industria, que necesita la utilización de calor a diversos niveles de temperatura, generalmente entre los 90ºC y 260ºC, que corresponden a 0,5 kg/cm² y 60 kg/cm², aproximadamente. El alto calor latente y la pequeña densidad de este fluido hacen que el vapor de agua sea especialmente efectivo en las operaciones de calentamiento. Su uso se extiende prácticamente a todas las unidades de procesos químicos.
II.
OBJETIVO
Conocer el funcionamiento del caldero y sus partes
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III.
REVISION BIBLIOGRAFICA
La caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. Generador de vapor se llama al conjunto formado por una caldera y sus accesorios. En la práctica se habla de “calderas” refiriéndose a todo el conjunto o “generador de vapor”. Por
tal razón, en adelante, usaremos indistintamente ambos términos. Las calderas o generadores de vapor son dispositivos cuyo objetivo es: generar agua caliente para calefacción y uso general y generar vapor para plantas de fuerza, procesos industriales o calefacción (McCabe y Smith, 2003). 3.1. Funcionamiento Según Romero y Jiménez (2004) funcionan mediante la transferencia de calor, producido, generalmente al quemarse un combustible, el que se le entrega al agua contenida o que circula dentro de un recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes: a) Zona de liberación de calor u hogar o cámara de combustión: Es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico. Interior El hogar se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua. Exterior Hogar constituido fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua. La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación.
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b) Zona de tubos: Es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por convección (gases – agua). Está constituida por tubos dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua. 3.2. Caldera pirotubulares En los primeros diseños, la caldera era simplemente un caso o tambor con una línea de alimentación y una salida de vapor montado sobre una caja o marco de ladrillos. El combustibles era quemado sobre una parrilla debajo del casco y el calor liberado era aplicado directamente a su parte inferior antes de que los gases salieran por la chimenea. Los diseñadores de caldera muy pronto aprendieron que calentar una gran masa de agua en un recipiente era notoriamente ineficiente, que era necesario poner una mayor porción de esa agua en contacto con el calor (Castany
et al .
Figura 1. Caldera pirotubular de cuatro pasos Fuente: Álvarez (1994)
2000).
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Una manera de lograr esto era dirigir los gases de la combustión dentro del recipiente o casco de la caldera. Este diseño dio origen a las calderas pirotubulares. Este nombre se debe a que en ellas el calor es transferido desde los gases de combustión, que fluyen por el interior de los tubos, al agua que los rodea. El combustible es normalmente quemado debajo del casco y los gases son orientados a entrar en los tubos que se hallan en el interior del tambor de agua, haciendo su recorrido en tres o más pasos. El vapor sale por la parte superior del tambor y la entrada de agua está generalmente 2" por encima de la huera de tubos más alta. Las altas presiones son una de las mayores limitantes de estas calderas. La fuerza que se ejerce a lo largo del tambor es dos veces la fuerza que se ejerce alrededor de la circunferencia. De lo anterior se deduce que para altas presiones y mayores capacidades se necesitarían paredes extremadamente gruesas, lo que las hace antieconómicas. Aunque su gran capacidad de almacenamiento de agua le da habilidad para amortiguar el efecto de amplias y repentinas variaciones de carga, este mismo detalle hace que el tiempo requerido para llegar a la presión de operación desde un arranque en frío sea considerablemente más largo que para una caldera acuotubular. Una presión de 250 psi y una producción hasta de 25.000 Ibs/hora son consideradas los topes prácticos para este tipo de calderas. Sin embargo, en Europa se construyen unidades de hasta 30.000 Ibs/hora de producción. Esto las hace recomendables para servicios donde la demanda de vapor sea relativamente pequeña y no se requiera su aplicación en turbinas. Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos: De retorno horizontal y de horno interno o tipo escocés (Sánchez, 2003). 3.3. Comportamiento de las calderas El comportamiento de una caldera puede expresarse en función de los kilogramos de vapor producido por metro cuadrado de superficie de calefacción y por hora (coeficiente de evaporación). Esta producción de vapor se ha ido elevando en los tiempos modernos. La intensificación de la producción de vapor se basa principalmente en la circulación de agua en el interior de los tubos, con una velocidad tal, que el vapor que se va formando
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por el calentamiento de los mismos, va saliendo con la misma corriente del agua que se evapora, porque de no ser así, las burbujas de vapor formadas crearían espacios huecos en el líquido que no podrían absorber el calor transmitido, quemándose el material de los tubos (Romero y Jiménez, 2004). Cuadro 1. Características de las calderas
Fuente: Álvarez (1994) IV.
DESCRIPCION DEL TALLER 4.1 Lugar de ejecución: Planta piloto de alimentos de la Facultad de Industrias Alimentarias – UNALM 4.2
Fecha de ejecución: Lunes 13 de Octubre del 2014
4.3
Materiales:
4.4
Winchas: Con la cual se tomaron las medidas del caldero
Equipo observado: Caldero
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4.5
V.
Especificaciones técnicas de la máquina:
MARCA: Cork Factori S.A
CUERPO: Acero inoxidable
POTENCIA DEL MOTOR: 40 HP
SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN: 200 pies 2
PRESIÓN DE DISEÑO: 150 psi
PRODUCCIÓN DE VAPOR: 1380 lb/h
CICLAJE: 60 Hertz
VOLTAJE: 110 V
ESQUEMA DE LA MAQUINA Y PARTES 5.1 Descripción de partes.
1. Ventilador: Se encarga de enfriar el motor, para que no ocurran recalentamientos dentro de este. 2. Filtro de Petróleo: Sirve para que objetos extraños no ingresen en la combustión. 3. Línea de Petróleo: Por esta tubería se va ingresar el petróleo para llevarlo a combustión. 4. Quemador: Es donde se va originar la llama por medio de una chispa en el combustible. 5. Control automático de Presión: Este control se va asegurar que no se exceda la presión interna del caldero, abriéndose este dispositivo para eliminar el vapor en exceso. 6. Cilindro: Es donde se va a producir el vapor, vamos encontrar la formación de este. 7. Válvula de Seguridad: Esta válvula nos va ayudar a liberar el exceso de vapor dentro del tanque para disminuir la presión. 8. Chimenea: Por se eliminan los vapores indeseados.
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9. Manómetro: Mide la presión dentro del tanque. 10. Soporte: Forman parte de la estructura de la máquina. 11. Bomba Centrifuga: Impulsa el agua blanda hacia el equipo. 12. Línea de Agua blanda: Es aquella tubería por donde va ingresar el agua de salida del ablandador. 13. Control de Nivel de Agua: Indica el nivel de agua dentro del tanque. 14. Tablero de Control: Presenta: llaves de electricidad trifásicas, medidor de luz, un voltímetro con un amperímetro.
Figura 2. Partes de Una caldera Horizontal
FUENTE: GNF (2014).
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VI.
DESCRIPCION DEL MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUINA
Según Arezano (2009) el agua de alimentación que va a la caldera es almacenada en un tanque o cámara de agua (nombre que se le da al espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera) con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera, así una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, a su vez una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera por medio de tuberías, al tiempo que, se da la combustión en el horno u hogar, esta es visible por el funcionamiento del quemador en forma de flama, el quemador es controlado automáticamente para pasar solamente el combustible necesario (el combustible es petróleo que viene de la parte posterior por medio de tuberías), la flama o calor es dirigida y distribuida a las superficies de calentamiento que en este caso son las tuberías delgadas (40 tubos) sumergidas en el agua a evaporar, donde por medio de los procesos de radiación, conducción y convección el agua se transforma en vapor, dicho vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso dentro del TAPA. En la parte superior de la caldera se encuentra una chimenea la cual conduce hacia afuera los humos o gases de la combustión; en el fondo de la caldera se encuentra una válvula de salida llamada purga de fondo por donde salen del sistema la mayoría de polvos, lodos y otras sustancias no deseadas que son purgadas de la caldera, cuenta con una válvula McDonald cuya función de este dispositivo es ver el nivel del agua en el interior de la caldera, también cuenta con manómetros para medir el agua de alimentación y la presión dentro del caldero (debe estar entre 75-95 psi).
Los gases muy calientes procedentes de un quemador de combustible, se conducen a través de múltiples tubos embebidos en el agua contenida en el cuerpo de la caldera, hasta una chimenea de salida al exterior. Estos tubos se conocen como tubos de fuego. Luego la misma combustión del petróleo generara CO 2 el cual también será eliminado mediante una chimenea. El agua utilizada para el caldero es agua blanda, siendo muy diferente del agua de pozo o potable ya que el principal problema al utilizar agua potable en un caldero es la formación de sarro o caliche, este caliche se junta y forma una capa dentro de los tubos del caldero. Para hacer un tratamiento del agua y convertirla en agua blanda se utiliza un ablandador que contiene una resina especial que capta toda las sales del agua impidiendo que pasen todas estas sales al caldero. Se controla la calidad del agua cada cierto tiempo ya que la
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resina se satura y es necesario el cambio de esta resina, este cambio es notorio cuando se realiza una prueba y se produce un cambio de color del agua a azul o violeta. Durante el paso por los tubos, ceden el calor al agua circundante, calentándola y elevando su temperatura, los vapores resultantes, burbujean en el resto del agua para concentrarse en el domo de donde se extraen para el proceso. Una válvula de seguridad calibrada, impide que se alcancen presiones peligrosas para la integridad de la caldera.
VII. -
EVALUACION DE LA MAQUINA Fue distribuido por la Industria Peruana YORK FACTORY S.A. ubicado en LimaPerú (1982)
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Es operado con una potencia de 40 HP, además de presentar una superficie de calentamiento de 200 pie 2
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Es operado a una presión de 150 psi, siendo industrialmente un caldero de presión supercrítica.
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Su producción de vapor puede llegar hasta un valor de 1380 Lbs/h, equivalente a 625.96 kg/h de vapor.
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El caldero estudiado ha tenido varias reparaciones, siendo la última realizada hace 5 años atrás (2009). Una de ellas fue una soldadura causada por la avanzada oxidación del equipo que soporta las altas temperaturas de intercambio de calor entre los humos y el agua blanda.
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Debido a que el agua que es utilizada en la UNALM es agua dura necesita ser ablandada, es por eso que el equipo cuenta con un ablandador, el cual posee un filtro con resina que quita los iones de Ca y Mg del agua dura, obteniendo agua blanda que ingresa al caldero y no haya ningún inconveniente en la transferencia de calor.
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Por temas de reparo y mantenimiento no se pudo observar el funcionamiento del equipo; sin embargo se encuentra actualmente en modo operativo.
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El vapor sobrecalentado es destinado únicamente a la operación de las distintas máquinas presentes en el TAPA.
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El caldero usa como combustible el petróleo,
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Se observó una falta de limpieza y orden en el ambiente y el equipo cubierto de polvo, indicando que el ambiente del caldero no está siendo mantenido como corresponde.
VIII. -
CONCLUSIONES Se logró conocer la estructura y dimensiones del caldero, además de los parámetros bajo los cuales opera.
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A pesar de no haber visto el funcionamiento del caldero, el equipo está en estado operativo.
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Se necesita una mantención de forma más frecuente ya que es el equipo encargado de brindar energía a gran cantidad de maquinarias en el TAPA.
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Se recomienda también una constante revisión en el ablandador, a fin de obtener constantemente agua blanda y mantener en operación continua el caldero.
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El petróleo por combustible puede ser cambiado a gas por motivos económicos y poco uso de aire.
IX.
BIBLIOGRAFIA -
ALVAREZ, J. 1994. Aplicaciones termográficas en calderas. Ecopetrol, complejo industrial. Grupo de inspección de equipos.
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AREZANO, J, 2009; Principio de Funcionamiento de Calderas para Generar Vapor, http://ingenieriaservicios-generacionvapor.blogspot.com/2009/11/principio-defuncionamiento-de-la.html
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CASTANY, V; FERNÁNDEZ, A; SERRALLER, F. 2000. Análisis de la funcionalidad de los elementos de máquinas. Prensas Universitarias de Zaragoza – España
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GNF. Gas Naturl Fenosa 2014. Generación de vapor. México versión online,
visto
el
26
de
octubre
del
2014.
[http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/generacionde-vapor]
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McCABE, W.; SMITH, J. 2003. Operaciones básicas de ingeniería química. Editorial Reverté, S.A. España.
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ROMERO A. Y JIMENEZ A.2004. Guía de equipos básicos para el procesamiento agroindustrial rural. Convenio Andrés Bello.
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SÁNCHEZ, M. 2003. Procesos de elaboración de alimentos y bebidas. Editorial Mundi Prensa. Madrid. España.
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TEJEDA, L. sf. Estudio de la formación de costra en un intercambiador de calor de placas. México. Versión online visto el 26 de octubre del 2014. [http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lia/tejeda_u_m/capitulo4. pdf]
