.- 0UNDA2ENTO TEÓRICO. .1.- 3i#toia #o)e lo# geneadoe# o caldeo# de !a"o. *asta "inci"io# del #iglo 4I4 se usaron calderos para te+ir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que D. Pa"in creó una peque+a caldera llamada 5mamita5. e usó vapor para intentar mover la "imea m%&uina 6om$nima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor h-medo de baja temperatura!, y al calentarse, $sta dejaba de producir trabajo -til.
#uego de otras experiencias, ame# 7att completó una m%&uina de !a"o de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial ingl$s muy conocido. #a m%&uina elemental de !a"o fue inventada por Dioni#io Pa"in 819:;< y desarrollada posteriormente por ame# 7att 8199:<. nicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Estas fueron las impulsoras de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y contin-a en el nuestro.
)áquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos a+os como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad, y como consecuencia directa, el ma/o "e#o "o => de "otencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta t emperatura.
'entro de los diferentes ti"o# de caldeo# se han construido caldeo# "aa tacci$n, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. /ambi$n se hizo un caldeo multi-6umo tu)ula con haz de tubos movibles, preparada para &uema ca)$n o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.
Para medir la "otencia de la caldea, y como dato anecdótico, 7att recurrió a medir la "otencia "omedio de muc6o# ca)allo#, y obtuvo unos mil li)a#-"ie?min, o sea @@ li)a#-"ie?#eg, valor que denominó 3ORE PO7ER potencia de un caballo!. Posteriormente, al transferirlo al sistema m$trico de unidades, daba algo más de 9: Bgm?#eg, pero la Oficina Intenacional de Pe#o# / 2edida# de Pa(#, resolvió redondear ese valor a 9@, más fácil de simplificar, llamándolo Ca)allo de Va"o 8CV< en homenaje a 7att. 0 sea que, 1 7att# 9@ CV.
0igua. )uestra de una caldeo "io-tu)ula "imiti!a. .+.- Pate# "inci"ale# del caldeo. 1na caldera es un recipiente en el que el agua u otro fluido, es calentada bajo presión. El fluido circula entonces fuera de la caldera para ser empleado en varios procesos o aplicaciones de calentamiento. El objetivo de una caldera como la usada en la experiencia es producir vapor a partir de agua. dealmente, el vapor producido ser"a !a"o #atuado, pero suele producirse en muchos casos !a"o #o)ecalentado. #as calderas de vapor básicamente constan de dos partes principales2
.+.1.- C%maa de agua. (ecibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera. El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 1@ cm por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. &on esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua. eg-n la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen la# caldea# de gan !olumen mediano / "e&ueo !olumen de agua2
#as caldea# de gan !olumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua. e componen de uno a dos cilindros unidos entre s" y tienen una capacidad superior a 1@ m de agua por cada m+ de #u"eficie de calefacci$n. Estas calderas tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión de vapor y el nivel de agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. on muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.
#as caldea# de mediano !olumen de agua están provistas de varios tubos de humo y tambi$n de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.
#as caldea# de "e&ueo !olumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de peque+o diámetro, con los cuales #e aumenta con#idea)lemente la #u"eficie de calefacci$n, y este aumento hace que sean más rápidas en la producción de vapor. Poseen un buen rendimiento en la producción de gran cantidad de vapor, y debido a esto requieren de especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.
.+.+.- C%maa de !a"o. Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. &uanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente tambi$n la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor. En la con#tucci$n de caldea# de !a"o se usa principalmente materiales de co)e 8Cu<, aceo, aceo inoFida)le, y 6ieo de fundici$n.
..- 0uncionamiento del caldeo de !a"o. El calor es suministrado a una caldera por la combustión de alguno o de varios combustibles, como la madera, el carbón, el aceite, o el ga# natual 8G*P<. #as calderas el$ctricas usan resistencias o elementos calefactores de tipo de inmersión. #a fisión nuclear tambi$n es usada como una fuente de calor para generar el vapor. #os generadores de vapor de recuperación de calor usan el calor rechazado de otros procesos, como las tu)ina# de ga#.
0igua. E#&uema del funcionamiento de un caldeo de !a"o.
..- Cla#ificaci$n de la# caldea# de !a"o. #a clasificación que se hará es en base al contenido que poseen los tubos. eg-n esto, las calderas se clasifican de dos tipos2 "io-tu)ulae# y acuo-tu)ulae#.
..1.- Caldea# "io-tu)ulae#. 3qu", la fuente de calor se encuentra dentro de los tubos y el agua a ser calentada se encuentra fuera del sistema de tuber"as. En estos calderos, los gases y humos provenientes de la combustión pasan por los tubos que se encuentran sumergidos en el agua. El objetivo es hacer que el calor fluya de forma tan completa como sea posible de la fuente de calor al agua. Por ejemplo, las locomotoa# de !a"o tienen calderas piro4tubulares, donde el fuego se encuentra dentro de los tubos y el agua en el exterior. #as calderas piro4tubulares por lo general toman la forma de un juego de tubos rectos que pasan por la caldera, dentro de los cuales fluyen los gases de combustión. El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cil"ndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multi4tubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor. #a circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos. El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efect-a a trav$s de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro
en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos. El conjunto completo, con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones a instalación.
VentaHa# o )eneficio#.
)enor costo inicial simplicidad de dise+o.
debido
Incon!eniente# o deficiencia#. a
su
)ayor flexibilidad de operación.
)enores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
)ayor tama+o y peso.
)ayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
5o son empleadas para altas presiones.
0igua. )uestra de los e#&uema# de ti"o# de caldea# "io-tu)ulae#.
..+.- Caldea# acuo-tu)ulae#. 3qu", la fuente de calor se encuentra fuera de los tubos y el agua a ser calentada se encuentra dentro del sistema de tuber"as. En esta caldera, los gases y humos de la combustión rodean los tubos que contienen en su interior un flujo de agua. En calderas acuo4tubulares, el agua fluye por dentro de los tubos, rodeados de fuego. #os tubos con frecuencia tienen un gran n-mero de curvas y a veces aletas para maximizar la superficie de transferencia de calor. Este tipo de caldera generalmente es preferido en aplicaciones de alta presión ya que la alta presión agua6vapor se mantiene dentro de tubos estrechos que pueden contener esta presión con una pared más delgada. #a producción de vapor de estas calderas es de unos 1@ Bg?6oa cada una, a una presión de r$gimen de 1 atm$#fea# a)#oluta# y a C de temperatura. 'esde su construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el ao 1;@9 se le fueron incorporados sopladores y quemadores para combustibles l"quidos. 3 lo largo de los -ltimos 78 a+os, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua4vapor y del acondicionamiento del agua de alimentación. En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc. #as calderas se construyen en una amplia variedad de tama+os, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.
VentaHa# o )eneficio#.
Pueden ser "ue#to# en mac6a de forma rápida.
on peque+os y eficientes.
/rabajan de 98 a más atm.
Incon!eniente# o deficiencia#.
)ayor costo en su fabricación.
'eben ser alimentados con agua de gran pureza en los tubos conductores.
0igua. )uestra de los e#&uema# de ti"o# de caldea# acuo-tu)ulae#.
[email protected] El ciclo RanBine. 1no de los principales usos de los generadores de vapor es en los ciclos de potencia. 3 continuación describimos este ciclo t$rmico, que es el ciclo RanBine. El ciclo RanBine es un ciclo de potencia que opera con vapor. Este es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energ"a cin$tica, donde perderá presión. u camino contin-a al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado l"quido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder ingresarlo a la caldera. 3unque existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo agregar #o)ecalentadoe# a la salida de la caldera que permitan obtener !a"o #o)ecalentado para que entre a la turbina y aumentar as" el endimiento del ciclo.
0igua. )uestra del "oce#o 8iJ&uieda< y de la g%fica T-# 8deec6a< del ciclo RanBine. &ada una de las cuato "imea# ecuacione# es fácilmente deducida del )alance de eneg(a y del )alance de ma#a para un !olumen de contol. #a &uinta ecuaci$n describe la eficiencia temodin%mica del ciclo y define la ganancia de "otencia de #alida respecto al calo de entada.
Calo &ue enta al ciclo
Calo &ue #ale del ciclo
Ta)aHo O)tenido en la tu)ina
Ta)aHo O)tenido en la )om)a
Eficiencia del ciclo
