Benemérita Universidad Autonoma de Puebla CALDERAS

PRINCIPIOS TEÓRICOS ¿Qué es el vapor? Fase intermedia entre el líquido y el gas. Vaporización: cambio de una fase sólida o líquido a la fase del vapor. Evaporación: es la vaporación de un líquido que tiene lugar exclusivamente en la superficie libre del líquido. Ebullición: vaporización de un líquido que tiene lugar en el seno mismo del líquido. Condensación: cambio de la fase gaseosa a líquida con una transferencia de calor del vapor a la superficie de condensación.

VARIABLES IMPORTANTES DEL VAPOR Presión: es la fuerza ejercida por el fluido en la unidad de superficie de la pared del recipiente que los contiene. Presión absoluta Presión de vacío Caída de presión Temperatura: la temperatura de un cuerpo, es su estado térmico considerado con referencia a su poder de comunicar calor a otros cuerpos.

DEFINICIÓN Y FUNCIÓN DE UNA CALDERA El término caldera se aplica a un dispositivo para generar: Vapor para fuerza, procesos industriales o calefacción. Agua caliente para calefacción o para uso general. Función: Las calderas son diseñadas para transmitir el calor procedente de una fuente externa (generalmente combustión de algún combustible), a un fluido contenido dentro de la misma caldera. Si este fluido no es agua ni vapor, a la unidad se le clasifica como vaporizador (generador de vapor) o como un calentador de líquidos térmicos.

PARTES DE UNA CALDERA Hogar • Quemador Humos Intercambiador de calor • Fluido caloportador • Chimenea.

CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS: Estacionarias Portátiles De servicios secundarios Calefacción Uso Calefacción a baja presión Generación de fuerza Calderas miniatura Presión Estacionarias Locomotoras Marinas Calderas de tubo de humo Calderas acuotubulares Horizontales de tubos rectos. De tubos forzados Contenido de los tubos Circulación natural Circulación forzada

Calderas acuotubulares

Acercamiento al Quemador de una caldera.

MATERIALES PARA CALDERAS Las calderas para la generación de fuerza se construyen usualmente con aceros especiales. Las calderas miniatura se fabrican con metales, tales como cobre, acero inoxidable y similares. Las calderas de calefacción de baja presión se fabrican de hierro colado o de acero.

MATERIALES PARA CALDERAS Calderas de fundición; por elementos, la transmisión de calor tiene lugar en el hogar, área de intercambio pequeña y rendimientos bajo; tienen poca pérdida de carga en los humos y por ello suelen ser de tiro natural. Calderas de acero; combustibles líquidos o gaseosos, por lo que tienen una mayor superficie de contacto y su rendimiento es mejor. Calderas murales; de diseño compacto y reducido, empleadas para instalaciones familiares de ACS y calefacción actualmente se está incrementando su potencia y permiten asociamiento de varias.

FUENTES DE CALOR El calor puede ser derivado de: La combustión de combustibles ( sólidos, líquidos o gaseosos). Los gases calientes del desperdicio de otras reacciones químicas. La aplicación de energía eléctrica. El empleo de energía nuclear.

COMBUSTIÓN Y COMBUSTIBLES La combustión es la combinación violenta, con desprendimiento de calor y luz, del oxígeno del aire con el carbono, hidrógeno y azufre, que constituyen los elementos activos de los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Combustible es toda sustancia que combinada con el oxígeno del aire, produce luz, calor y desprendimiento de gases. SÓLIDOS: Carbon mineral Coke Madera Cortezas Paja aserrín LÍQUIDOS Petróleo Asfalto Agua y sedimentos Diesel GASEOSOS Gas natural Gas de hornos de Coke Gas de altos hornos Gas pobre Gas L.P.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE UNA CALDERA El problema básico del diseño de una caldera consiste en “disponer la superficie total de absorción de calor de una manera tal que, extraiga el calor máximo obtenible del combustible y los productos de la combustión”. Elementos a considerar en el diseño: Caldera. Fogón. Equipo para quemar el combustible. Recolección y transporte de cenizas. Separadores de vapor. Agua de alimentación. Sistema de purga. Suministro de aire para la combustión. Remoción de los productos de la combustión. Cimentación y soportes. Refractarios y mamparas. Precalentamiento de aire y agua. Accesorios de la caldera.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE UNA CALDERA El objetivo que persigue el diseñador es lograr la mejor disposición de la superficie de calefacción, de acuerdo con las limitaciones en cuanto al espacio disponible y los arreglos necesarios en el fogón y en los demás componentes.

CAPACIDAD DE UNA CALDERA Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de vapor que ellas pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta temperatura. Las calderas mas grandes producen un millón de libras por hora o son catalogadas en base a 1 “caballo de fuerza” o “caballo vapor de caldera” por cada 34.5 libras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra definición es 1 “caballo de fuerza” por cada 10 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de agua o 12 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de humo.

EFICIENCIA DE UNA CALDERA La eficiencia de una caldera en la planta es determinada por dos factores: Diseño de la caldera. Diseño de quemador. Tipos de eficiencia: Eficiencia de combustión: exclusiva del quemador y está relacionada con su habilidad para quemar totalmente el combustible. Eficiencia Térmica: Es la efectividad de transición de calor en un cambiador de calor. Eficiencia total de la caldera: Es la relación entre el calor aprovechado por el fluido ( agua y vapor) y el calor que suministra el combustible al mismo.

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL DE UNA CALDERA METODO DIRECTO Algebraicamente la eficiencia de una caldera o generador de vapor se puede expresar: Donde: n = eficiencia del generador de vapor. W = peso del vapor producido por hora. Hv = entalpía del vapor a la salida. H1= entalpía del agua a la entrada. Pc = poder calorífico del combustible. Cc = cantidad de combustible, quemado por hora en peso.

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL DE UNA CALDERA De acuerdo con la fórmula anterior se requiere de instrumentos apropiados para la medición de la cantidad total de Kcal (BTU) contenidas en la cantidad de combustible utilizado (suministrado) y el total de Kcal (BTU) aprovechadas por el vapor o agua caliente producidas. La cantidad de vapor producido es generalmente, determinado con medidores de agua de alimentación, y deberá ser comprobado con medidores de flujo de vapor. En la mayoría de los casos, el equipo de medición no está disponible y los cálculos no pueden ser hechos convenientemente o con precisión.

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL DE UNA CALDERA METODO INDIRECTO Donde: Qs = Calor suministrado. Qp = Calor perdido. Para este método se requiere: Equipo: Analizador de gas. Termómetro en la chimenea. Termómetro en el cuarto de calderas. Gráficas para pérdidas de calor (para distintos combustibles). Gráficas de corrección para sumar pérdidas por radiación, convección y pérdidas varias.

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA TOTAL DE UNA CALDERA Procedimiento. Tomar la temperatura en la base de la chimenea después de varias horas de operación. Medir el contenido de CO2 en el flujo de gases de la combustión. Obtener la diferencia de temperaturas entre la temperatura en la chimenea y la temperatura del cuarto de calderas, con la finalidad de obtener las pérdidas netas de temperatura en la base de la chimenea. Con estos datos y datos de gráficas, obtener el % de las pérdidas de calor a través de la chimenea. Sumar las pérdidas de calor. ( convección, radiación y otras). Restar la cifra obtenida del 100%, y así se obtendrá la eficiencia.

EJEMPLO DE CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA UTILIZANDO MÉTODO INDIRECTO. Caldera modelo Cb de 100 caballos caldera de capacidad, con una presión de diseño de 1.05Kg/cm2 (15lb/plg2). Combustible requerido: gas natural. Datos obtenidos experimentalmente: T base de la chimenea = 340º F T cuarto de calderas = 80º F Lectura de CO2 = 10% Pérdidas netas de temperatura: 340º F-80º F = 260º F De la grafica 3-E: Pérdida de calor = 15.6% +2 % de las pérdidas varias = 17.6% Eficiencia Total = 100%-17.6% = 82.4%

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