CALDERAS
La Combustión •
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Proceso de Oxidación con el oxígeno de la atmósfera de una sustancia susceptible a tal proceso. Hay generación de energía radiante en todo el espectr espectroo electro electromag magnét nético ico.. Radiación se concentra en el infrarrojo y luz visible. La sustancia a ser oxidada debe ser un elemento o producto químico dador de electrones. La sustancia oxidante debe ser un aceptor de electrones.
Combustible Es toda sustancia dadora de electrones o que se combina con el oxigeno. • Viene en varios estados – Sólido – Líquido – Gaseoso. • Los dos primeros estados involucran gasificación del combustible en un proceso llamado pirólisis pirólisis.. • El segundo no lo requiere, ya que es gaseoso. •
Comburente Es toda sustancia que reacciona con el combu combust stibl iblee oxidá oxidándo ndolo. lo. • Es un aceptor de electrones. • El mas comúnmente utilizado es el oxígeno puro o el contenido en la atmósfera. • La atmósfera tiene un 21% en volumen de O2 y un 79% en volumen de Nitrógeno. •
La Reacción de Combustión •
Para la quema estequiométrica (suminis inisttro del oxige igeno justo para la combustión) la reacción es :
C m H n ( g )
( 4m 4
n)
O2 ( g )
mCO2 ( g )
En esta ecuación: m = número de carbonos en el combustible n = número de Hidrógenos en el combustible
n 2
H 2 O( g )
CONSIDERACIONES: • En esta fórmula se indica que todos los reactantes (lado izquierdo de la reacción ) y todos los productos de reacción (lado derecho ) están en fase gaseosa. • La fórmula es universal. • Si se usa aire para la combustión, solamente reaccionará el Oxigeno. El Nitrógeno no debe aparecer en la fórmula ya que no es reactante.
La Llama • • • • • •
Llam Llamad adaa tam también bién flam flamaa Los reactantes, para combinarse, pasan a un esta estado do deno denomi mina nado do exci excita tado do.. Este estado excitado está compuesto por radi radica cale less libr libres. es. Estos radicales libres chocan violentamente entr entree si, si, reac reacci cioonan nando. do. Los choque generan energía en forma de luz y calor. A dicho estado se le llama plasma plasma..
EXIGENCIAS AL QUEMADOR • Llama estable durante el encendido y la
operación • Punto de ignición cerca de la tobera • Llama fuertemente brillante • Longitud y diámetro de la llama ajustables • Posición ajustable de la punta del quem
CRITERIOS DE DISEÑO • Inyección central de combustible • Bajo consumo de aire primario • Diseño robusto con pocas partes móviles • Apropiado para combustibles alternativos
Temperatura de la Flama Adiabática Es la máxima temperatura que puede alcanzar alcanz ar la llama en una reacción de combustión, dado que se logra la estequiometría. • Se calcula asumiendo que la llama es adiabática, es decir, no irradia calor ni lo transmite por conducción y/o convención a sus alrededores. • Está tabulada en la mayoría de la literatura técnica. •
La Energía en la Combustión luz
Medio ambiente
calor Pirolisis combustible e inicio reacción
oxigeno combustible
QUEMADOR Es el encargado de que la mezcla sea la apropiada. • La cantidad de calor por unidad de masa que desprende un combustible al quemarse es el Pode Poderr Calo Caloríf rífic ico o (kJ/kg) •
– PCI (el vapor de agua de los humos no condensa) – PCS (se condensa el vapor de agua de los humos)
Los elem elemen ento tos s bási básico cos s que reaccio cionan son son: El oxígeno del aire como comburente (aprox. 1 m3 por kWh) • El carbono y el hidrógeno del del comb combus ustitibl blee • Otros elementos (azufre azufre)), e inertes (cenizas cenizas). ). • •
Reacciones del Carbono : C + O2= CO2 + 32.780 MJ/kg C + 1/2 O2= CO + 9.188 MJ/kg CO + 1/2 O2= CO2 + 10.111 MJ/kg
La reacción del Hidrógeno es: H2+ 1/2 O2 = H2O + 118.680 MJ/kg Si el agua se condensa: H2+ 1/2 O2= H2O + 142.107 MJ/kg La reacción de Azufre es: S + O2 = SO2+ 2.957 MJ/kg
ESTEQUIOMETRIA •
C + O2= CO2 → 12 g de C necesitan 22,4 litros litros de O2
•
H2+ 1/2 O2= H2O → 2 g de H2 necesitan 11,2 litros de O 2
•
S + O2= SO2 → 32 g de S2 necesitan 22,4 litros de O 2
EXCESO DE AIRE
El exceso de aire empleado se deduce del contenido de CO2 en los humos.
El exceso de aire no es deseable, es una masa que absorbe calor y disminuye la Tª final y el nivel energético. Punto de rocío húmed medo y ácido
⇒
limit mitan la tempe mperatura de los humos mos
Gas Natural 155 g agua/kWh ⇒(T humos mayor) Gasóleo C 87 g agua/kWh SO3 + H2O = SO4H2
T > 130°C
PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES o poder calorífico: el superior y el inferior Límite de inflamabilidad : porcentajes de combustible y Potencia
aire en la mezcla, a presión y temperatura para que sea de forma autosostenida Velocidad de propagación de la llama : en un frente gaseoso. Temperatura de ignición ; punto de inflamación: (combustibles líquidos); líquidos); temperatura a la l a cual la velocidad de combustión es lo suficientemente elevada para que la combustión se propague Indice Wobbe: (combustibles gaseosos), gaseosos), es el cociente entre el PCS y la raíz cuadrada de la densidad relativa respecto del aire (MJ/m3).
QUEMADOR DE PULVERIZACION PULVERIZACION
Q U E M A D O R R O T A T I V O
QUEMADOR COMBUSTIBLE GASEOSO
QUEMADOR DE GAS A BAJA PRESION
QUEMADOR TIPO DUAL ( GAS / PETROLEO)
ENCENDIDO DE LA CHISPA • Piezoeléctrico ;
es un cristal de cuarzo de que se carga eléctricamente cuando se le deforma, no nece necesi sita ta cone conexxión ión eléc eléctr tric ica. a. • Por filamento incandescente ; se calienta al paso de una corriente eléctrica; necesita conexión eléctrica, y el filamento es muy frágil. • Por chispa de alta tensión; un transformador genera una tensión que produce el salto de una chispa; es un sistema de larga vida pero necesita conex conexió iónn eléct eléctririca ca.. • Apertura de paso de combustible y el comburente ; debe quedar cerrado cuando la caldera está parada; el paso de aire contribuye a enfriar la caldera y con ello a bajar el rendimiento del del sist sistem ema. a.
CONTROL DE ENCENDIDO La extinción es debida casi siempre a que, por una causa fortuita, la proporción aire/gas sobrepasa los límites de inflamabilidad.
Los aparatos para evitar estos riesgos sue suelen len ser: er: •Manostatos detectando la baja presión o alta presión de gas. •Detector de falta de aire comburente. •Dispositivo detectando extinción de la llama. •Bimetálicos, se deforman por calor •Termopares, generan una cierta tensión al cale calent ntar arse se.. •Electrónicos.
TIEMPOS DE ENCENDIDO el periodo de funcionamiento del ventilador antes de encender la llama; elimina gases ses resid siduales. iemp mpo o de pre reen enc cen end did ido o : desde que se provoca • Tie la chispa hasta que se empieza a suministrar combustible, con esto se logra un encendido suave. • Tie iem mpo de seguridad : es el tiempo máximo en el que se puede suministrar combustible a la caldera sin que aparezca la llama. • Tiempo de postencendido : es el periodo en el que se mantiene el sistema de encendido después de haber provocado la aparición de la llama. • Tiempo
de
prebarrido: es
FORMACION DE INQUEMADOS a)P )Poor falta de aire a nivel de combustión. Ya sea por falta global de aire o por malas mezclas de aire e hidrocarburo b) Por los fenómenos de cracking y de reforming, que conllevan la formación de grafito c) El grafito o el compuesto carbonoso de alto peso molecular se forma cuando la combustión quema a poca velocidad, provocando combustión incompleta, lo que es una función exponencial de la temp temper erat atur ura. a.
DISEÑO DEL QUEMADOR Parámetros de diseño: - Tipo Tipo de combus combustibl tiblee a quem quemar ar - Pote Potenci nciaa calor calorífi ífica ca Q m
V
m h Q h m
SELECCIÓN DE COMPONENTES BOMBA - Caudal - Presión - Aplicación MOTOR
W
V P 1714
bomba
HP H P
MONTAJE MOTOR Y BOMBA
BOQUILLA DE TIPO REMOLINO
BOQUILLAS NORMALIZADAS Boquilla N° Caudal (GPH) Angulo (°) 1 1 80 2 1 45 3 1.75 30 4 2 30 5 2.25 45 6 3 45 7 3 60
marca Devalan SH HAGO HAGO HAGO HAGO HAGO
Cono de rocío: de 5 a 15° L/do (0.2 – 0.5) L (de la tobera) se determina por: -
∆L de P
-
∆L de H
-
∆L de
v
a lo largo de la tobera
TANQUE DE SUMINISTRO Y ALMACENAMIENTO
DIAGRAMA DEL SISTEMA DE INYECCION DE COMBUSTIBLE
Línea de retorno Depósito combustible Válvula cheque
Línea descarga
manómetro
Línea succión
Boquilla inyección
Válvulas cierre
Bomba combustible Filtro combustible
Válvula reguladora de presión
PARAMETROS DE DISEÑO DEL VENTILADOR DIMENSIONES Ancho del rotor succión b 1 cm Ancho del rotor descarga b 2 cm Lado A de la descarga cm Lado B de la descarga cm Rmax cm Rd = D1 /D2 Area de descarga As m2
V E N T I L A D O R
CURVA CARACTERISTICA DE VENTILADORES CON EL MISMO DIAMETRO DE RODETE
VENTILADOR Aplicación • Caudal V • Presión de trabajo • Diámetro exterior del rodete •
u 2
int
gráfico
n :
d 1 1
d 2
.
2
Angulo medio de los álabes t l
z
Triangulo Triangulo de velocidades Pérdidas internas en cada zona: Pérdidas hasta la entrada de los alabes Pérdidas en el rodete Pérdidas en el difusor
Rendimiento volumétrico Par transmitido por el eje al rotor
Ancho de entrada de los álabes
Ancho del rodete a la salida
Los álabes se construyen mediante un arco de círculo
R E G U L A C I O N DEL C A U D A L
ELECTRODOS Y BOQUILLA DE COMBUSTIBLE
ELECTRODOS BOQUILLA
Q U E M A D O R
