1. Objetivos 1.1. Objetivos general 1.2. Objetivo especifico 2. Fundamento teorico CALDERAS Una caldera es una maquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a tr avés de un medio de transporte en fase líquida o vapor. Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. Además son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para generarlo para aplicaciones como: • Esterilización (tindarización), es común encontrar calderas en los hospitales, las
cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos, también en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos así como para la elaboración de alimentos en marmitas. • Calentar otros fluidos, por ejemplo, ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petroles
pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado. • Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. Las calderas son parte
fundamental de las centrales termoeléctri t ermoeléctricas. cas. Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado
PRINCIPALES TIPOS DE CALDERAS Aunque existen numerosos diseños diseños y patentes de fabricación de de calderas, cada cada una de las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas de cuyas características se indican a continuación. continuación.
CALDERAS PIROTUBULARES Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el
intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.
CALDERAS ACUOTUBULARES. En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, Adicionalmente, pueden estar dotadas dotadas de otros elementos elementos de intercambio intercambio de calor, calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea. Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases
CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera está preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización vaporización instantánea. Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el caudal de agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al requerido.
ELEMENTOS, TÉRMINOS Y COMPONENTES DE UNA CALDERA
• Agua de alimentación: Es el ag ua de entrada que alimenta el sistema, generalmente
agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización.
• Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque condensador y que
representa la calidad del vapor. • Vapor seco o sobresaturado: sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones. • Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de una agua
de alcalinidad elevada. • Condensador: Sistema que permite condensar el vapor. • Estanque de acumulación: Es el estanque de acumulación y distribución de vapor. • Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera. • Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera. • Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de ag ua de la
caldera. • Fogón o hogar: Alma de combustión del sistema. • Combustible: Material que produce energía calórica al quemarse. • Agua de calderas: Agua de circuito interior de la caldera cuyas características
dependen de los ciclos y del agua de entrada. • Ciclos de concentración: Número de veces que se concentra el agua de caldera
respecto del agua de alimentación. • Alcalinidad: Nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO3 que confiere una
concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente generalmente desde 10,5 a 11.5. • Desoxigenación: Tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas. • Incrustación: Sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o
amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera. • Dispersante: Sistema químico que mantiene los sólidos des cohesionados ante un
evento de incrustación. • Anti incrustante: Sistema químico que permite permanecer a los sólidos incrustantes
en solución. • Anticorrosivo: Sistema químico que brinda protección por formación de films
protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua Func ionam ionamiento iento de de C al aldera deras s Indus trial triales es
Las calderas son recipientes que trabajan a presión por medio de la Transferencia de calor constante, en la cual los líquidos calientan y Cambia de estado. Hay dos tipos de calderas las pirotubulares son las que el líquido se encuentra en un recipiente y es atravesado por tubos
por los cuales circulan gases de alta temperatura producto de un proceso de combustión el otro tipo de caldera se llama aguatubulares son aquellas en las que le fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su calentamiento
Las calderas tienen una gran aplicación en la industria ya que de ella depende muchos productos como hospitales que las utilizan util izan para esterilizar los instrumentos médicos, también en las petroleras para calentar cal entar los petróleos pesados para mejorar su fluidez. El agua utilizada en calderas de agua caliente y de vapor (para producir éste), necesita normalmente de un tratamiento previo de descalcificación, etc. para preservar la vida de la caldera en la que se usen, además de, en ocasiones, purgas continuas de lodos y espumas que el proceso genera, lo que deriva en pérdidas de energía. Por otra parte, suele estar a disposición de los usuarios con facilidad y en abundancia. Toda caldera estará equipada con uno o más tubos de desagüe, comunicados con el punto más bajo de la caldera y destinados a las purgas y extracciones sistemáticas de lodos. La descarga de los tubos de purga estará dispuesto en tal forma que no presente peligro de accidentes para el personal y sólo podrá vaciarse al alcantarillado a través de un estanque intermedio de retención o de purgas. Este estanque de retención debe reunir las siguientes condiciones: a) Será fácilmente accesible para su inspección y la extracción de los lodos. b) Las tapas o puertas de inspección tendrán un ajuste tal que eviten escapes de vapor. c) El estanque estará provisto de un tubo de ventilación metálico, con salida al exterior de la sala. d) El diámetro del tubo de escape a la atmósfera debe ser mayor que el diámetro del tubo de purga. e) Llevará una válvula en la parte más baja que permita vaciar toda el agua purgada de la caldera, cuando sea necesario Otro asunto sobre las calderas c alderas industriales es que necesitan de un buen combustible, c ombustible, éstos están caracterizados por un alto poder calorífico, un grado específico de humedad y un porcentaje de materias volátiles y cenizas. Es necesario analizar los combustibles que vamos a utilizar en cada dispositivo, el análisis químico es el que nos permite distinguir los elementos que forman parte del combustible; debe haber una exactitud correcta entre las mezcla “airecombustible” de lo contrario no sólo puede dañarse la caldera industrial sino que pueden
producirse serios accidentes. Es necesario tomar todas las precauciones necesarias antes de manipular estos artefactos como sus fuentes de energía. PÉRDIDAS DE CALOR
El sistema caldera, puede tener pérdidas por radiación, convección y por purga. Las pérdidas por radiación las constituyen el calor que se escapa a través de la superficie de las paredes. Cuando se disipa calor por medio de fluidos con distinta temperatura se denomina convección. Las pérdidas por purga están constituidas por el calor que escapa al eliminar los sólidos o impurezas disueltos en el agua, y que se han acumulado dentro de la caldera. FACTOR DE VAPORIZACIÓN DE CALDERA Este factor corresponde a la cantidad de calor que debe ser absorbido por un kilogramo de agua líquida alimentada a 100°C para convertirse en un kilogramo de vapor de agua a 100°C. Factor Vaporización = Entalpía vapor a 100° C – Entalpía agua líquida a 100° C
URL_13_QUI03.pdf Julio, 2009. 2009 . Páginas 22a 34 Facultad de Ingeniería - Universidad Rafael Landívar Revista Electrónica No. 13 EFICIENCIA DE COMBUSTIÓN Es una medida de la efectividad en que el calor obtenido a partir de la combustión del combustible se convierte en calor utilizable para la caldera. Esta eficiencia se puede determinar a partir de la temperatura de la chimenea de gases de combustión, así como de la concentración de la concentración de oxígeno o dióxido de carbono en los mismos, apoyándose en gráficas ya calculadas de eficiencia versus temperatura y composición del oxígeno en los gases de combustión. Ver Anexo No. 1. EFICIENCIA DE CALDERA Corresponde al porcentaje o razón de la cantidad de vapor producido en una caldera a partir de la cantidad de calor administrado por el combustible quemado. La eficiencia de una caldera, es la relación entre la energía absorbida para la evaporación o generación de vapor (Q salida) y la suma de energías introducidas al proceso (Q entrada). Q salida / Q entrada = Eficiencia El diferencial entre ambos, es la energía perdida del proceso (calor expulsado a la atmósfera). Q entrada - Q salida = Pérdida Una caldera, en términos genéricos, es un intercambiador de calor ya que por un lado se adiciona fuego y gases de combustión y por el otro lado agua que se calienta y evapora. La eficiencia de la caldera, es la eficiencia del proceso de intercambio de calor. JUSTIFICACIÓN
Las calderas de vapor proporcionan grandes ventajas para muchas aplicaciones en varios sectores industriales. He aquí algunos ejemplos de estas aplicaciones:
panaderías industriales, Industria alimentaria: panaderías carnicerías, procesos de rendering, fabricación de comida procesada y comida para bebés, bebidas y productos lácteos. Industria textil: secadores rotativos, teñido, balanceo y tejido. Industria química: reactores y almacenaje. Farmacéuticas: fabricación de medicamentos y componentes, vacunas, vapor estéril. Cosmética: perfumes, cremas. Industria papelera / de impresión: túneles de secado, secado de impresión, cartón ondulado. Industria cementera cementera:: fabricación de piezas de cemento. Industria aceitera: distribución y almacenaje de aceites pesados. Industria maderera: procesos de melanina y madera contrachapada. Hospitales / Hoteles: lavandería, cocina. Industria automovilística y tratamiento de superficies: acabado del metal, electro depósitos.
1. Cálculos 1.1.
Hoja de Datos
Masa Inicial de la Garrafa = 68,61 kg Masa Final de la Garrafa = 66,85 kg Altura Inicial del del Tanque = 84,5 84,5 cm Altura Final del del Tanque = 82 cm Diámetro del Tanque = 87 cm Tiempo de Funcionamiento = 1 hora y 36 minutos Temperatura Inicial del Agua del Tanque = 12,3 °C Temperatura final promedio =85 °C
1.2.
Fase no estacionaria
Hallamos la Masa de GLP combustionado:
− ,−, ,−, , Hallamos el Volumen de Agua dentro del Tanque:
× ×
∗ ,− ,− ∗ , , , Transformando ese Volumen en Masa:
∗ , , ∗ . , , Obteniendo el Calor Total Ganado por el Agua durante el proceso de Calentamiento:
∗ ∗ ( − ) ∗ °−,° , ∗. ∗° °−,° , 1.3.
-
Fase estacionaria
Hallamos la Masa de GLP combustionado:
− , − , , ,, -
Calculamos la Tasa de Calor Cedido:
∗ ∗ ( − ) + ∗ ∗ ,− [ [,∗. ,∗. ∗° ,−°] °] + ,∗−. −. -
Calculamos la Tasa de Calor Ganado:
+ 44.3 44.311 + 40.2 40.288 84,5 ∗ 84,5 84,5 ∗ 0.97 97 81,965 ∗ ∗ ( − ) ∗ −, , , ∗ ∗ . ∗° −,° ,
Tiempo [min] 0 26.46 81.86 1.4.
Altura agua[cm] 84.5 83.5 82
ΔH
[cm] 7,8 7,1
[L]
M=ρ*V
44.31 40.28
42.981 39.072
Masa garrafa [Kg] 69.39 68.61 66.85
Eficiencia del intercambiador
×% ×% . . .% 1.5.
-
Eficiencia del caldero
Poder Calorífico Total de la Garrafa de GLP:
Masa utilizada GLP [Kg] 0.78 1.76
∑ ∗ =
. -
Eficiencia del Proceso No Estacionario:
× % ∗ %
, , ×% , , ∗ . . .%
-
Eficiencia del Proceso Estacionario:
× % ∗ %
. . ×% . . ∗∗ . . .%
-
Eficiencia Total:
× % ∗ %
, + + .. ×% , . . ∗ . . .%
INVESTIGACION CALDERAS
