automatización de calderos industriales

7/18/2011

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SEDESEM BOLIVIA Automatización de Calderos

Industriales

Martin Ledezma Perizza

[email protected]

Contenido

Tema 1: Introducción a calderas industrialesConceptos básicos de termodinámicaTipos de calderasAnálisis de operación de calderasAnálisis de operación de calderas

Tema 2: Principios básicos de los controladores automáticos: ‐ Sistemas de control automático industrial. ‐ Controladores ON/OFF. ‐ Controladores PID. ‐ Análisis de los parámetros de sintonía y su desempeño. ‐ Controladores lógicos programables (PLC).

Tema 3: Esquemas de control automático usados en calderas: ‐ Control retroalimentado. ‐ Control antealimentado. ‐ Control con relación. Control cascada. ‐ Control cascada antealimentado. Análisis de desempeño.

Tema 4: Estrategias de control automático de calderas: Análisis y diseño de diferentes alternativas para controlar: presión de vapor, agua de alimentación, combustión

(relación aire‐combustible), presión interna, temperatura de gases de combustión, etc.

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Introducción termodinámicaIntroducción termodinámica

1.‐ Trabajo, Calor, Energía.

2.‐ El Primer Principio de la Termodinámica.

Energía Interna (U)

3.‐ Entalpía (H)

4 C id d C l ífi4.‐ Capacidad Calorífica

5.‐ Cálculo de U y de H en procesos sencillos de

sistemas cerrados

PRIMER PRINCIPIO LA ENERGÍA DEL UNIVERSO SE CONSERVA

Es imposible realizar un trabajo sin consumir una energía

.uff, uff

W=F x

Distancia que se desplaza el objeto

Fuerza

2

1

X

XW Fdx

[N.m=J]

Trabajo realizado por el hombre

Fuerza aplicada

distanciaX1 X2 Trabajo=área

Energía = Capacidad para realizar un trabajo

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La energía potencial se

se acelera

ptransforma en energía cinética

La pérdida de energía potencial acelera el deslizamiento del objeto

caeenergía química (carbón)energía interna (agua líquida vapor de agua)l d T b j

212mgh mv cte

Reacción QuímicaCambio de Fase

el vapor se expande Trabajoenergía cinética

1.1.‐‐ TRABAJO. CALOR, ENERGÍA.TRABAJO. CALOR, ENERGÍA.

TRABAJO (PV)TRABAJO (PV). J/K.molat.l x . J. at.l/Kmol

8 3141 101 40 082

Unidades

Pext

Pint

x extF P A

/A V x

Pext

Pint

dx

xw F dx

Equilibrio mecánico

Pext = Pint Pext > Pint

sistema extw P dV

embolo extw P dV

Pext = Pint

Estado inicial

Estado final

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TRABAJO (PV) Expansión‐(Compresión)

P P• Frente a Pext=P2 constante

2 2 1( ) 0W P V V

Pext < Pint

Pext

Pint

dx

P

V

1Pext

Pint

Pext = Pint

2P’

2 etapas

2

1

V

extVW P dV

V’

Estado Inicial1

Estado Final2

1 2 2

'( ' ) ( ')W P V V P V V 2 etapas

TRABAJO (PV) Expansión‐(Compresión)

P

1

P

• Frente a Pext=P2 constante

2V

2 2 1( ) 0W P V V

Pext < Pint

Pext

Pint

dx

P

V

Pext

Pint

Pext = Pint

2

1P

2

1extV

W P dV

• Expansión Reversible etapas

2 2V V

W P dV P dV

Irreversible

Estado Inicial1

Estado Final2

V

1P

2

1 1ext gasV V

W P dV P dV • Gas Ideal

nRTW dV

V

• G I y T=ctedV

W nRTV

2

1

V

V

W nRT Ln

Reversible

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CALORCALOR

Un sistema cede E en forma de Q si se transfiere como resultado de unaUn sistema cede E en forma de Q si se transfiere como resultado de una diferencia de T entre el sistema y el entorno.

( , ) 2 1( )T PQ mC T T

la T sistema varía hasta igualar la Talrededores

Unidades : Julio

1 cal = 4.184 J

PRIMER PRINCIPIO


T=20ºC T=40ºC

Estado Inicial Estado Final

Q

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Trabajo mecánico

calorTrabajo eléctrico

El calor y el trabajo son formas equivalentes de

variar la energía de un sistema Joule


Calor y el trabajo se “distinguen” por su efecto sobre las moléculas del entorno

Q W

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TRABAJO

SISTEMA

CALOR

BANCO

efectivo

Transferencia electrónica

• son formas de variar la E del sistema

• no son funciones de estado

• no es “algo” que posea el sistema

cheques


Criterio de signosCriterio de signosCriterio de signosCriterio de signos

SISTEMA

Q 0

W > 0 W < 0

Q 0Q > 0 Q < 0

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La energía es la capacidad para hacer un trabajo


ENERGÍA ENERGÍA

Esistema= U+ Eotras

E debida a la posición del sistema en un campo de fuerzas (gravitacional, eléctrico, magnético) y a su movimiento en conjunto:

Energía Interna, Ucaracterística del sistema (Et, Er, Ev de moléculas)depende del estado de agregación del sistema

Eotras

Unidades: Julio (J)depe de de estado de ag egac ó de s ste a

La energía es una función de estado La energía es una propiedad extensiva

( , , )U f T P V

/J molU

Un

Puedo definir una propiedad intensiva

No es posible conocer la energía de un sistema,sólo conocemos su cambio en un proceso U=U2‐U1

2.2.‐‐ PRIMER PRINCIPIO. ENERGÍA INTERNA.PRIMER PRINCIPIO. ENERGÍA INTERNA.

ENERGÍA ENERGÍA sólo conocemos su cambio en un proceso U U2 U1

Energía interna (U)

(Suma de energías a nivel molecular)

• Función de estado• Magnitud extensiva

¿Cómo podemos aumentar Ude un sistema cerrado?

1) Realizando un trabajo2) Calentándolo calorde un sistema cerrado? 2) Calentándolo calor

U = Q + W 1er Principio de laTermodinámica

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P A

0final inicial A AU U U U U

Proceso Cíclico A→A

V

B

W Q




P A

0final inicial A AU U U U U

Proceso Cíclico A→A

BABAUU

U función de estado

V

B

W Q


( , , )U f T P V

V T

U UdU dT dV

T V

U función de estado

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ENERGÍA INTERNAENERGÍA INTERNA

Proceso a V = cte V2 = V1 dV=0

U = Q + 0 = Q2

1

V

extVW P dV V

v

• Nuevo significado de U = QV

• Nos da una forma de determinar U

3.3.‐‐ ENTALPÍA.ENTALPÍA.

H U + PV Entalpía(H)

• Función de estado Hf(T,P,V,U)• Propiedad extensiva• Unidades de energía (J)• [ / ]

HH J mol

Proceso a P = cte 1º Principio U=Q+W

2

1

V

extVU Q W Q P dV

2

1

2 1( )

V

ext VP PQ P dV Q P V V P=cteU=U2‐U1

[ / ]H J moln

v2 2 1 1

( ) ( )P

Q U PV U PV

H2 H1

= HQP

•Nos da una forma de determinar H

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3.3.‐‐ ENTALPÍA.ENTALPÍA.

H U + PV

• Una forma de determinar U = Q

Relación entre H y U

H U (PV) H U PV H U

• Una forma de determinar U = QV

• Una forma de determinar H = QP

Q=I.V.t

H = U + (PV)Si P=cte

H = U + PV H Uprocesosól/líq

(PV) = PV+VP+PV = P2V2‐P1V1

4.4.‐‐ CAPACIDAD CALORÍFICA.CAPACIDAD CALORÍFICA.

( , , ) 2 1( )T P VQ mC T T El Q se definió como la energía trasferida

como consecuencia de una diferencia de TCapacidad Calorífica

Q

2 1

limT T

Q qC

T dT

Capacidad calorífica de una sustancia: cantidad infinitesimal de calor necesaria para elevar su T en una cantidad dT . [JK‐1]

•si no hay cambio de fase•ni reacción química

• Depende de la naturaleza de la propia sustancia

• Puesto que Q depende de la trayectoria del cambio de estado,para definir C hay que definir la trayectoria

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Capacidad calorífica molar de una sustancia: cantidad de calor necesaria paraelevar la T de un mol de dicha sustancia un grado. / .C J K mol

1 1

Puesto que QV = U y QP = H en un sistema cerrado, en equilibrio o proceso reversible y sólo W(P‐V) es posible definir :

Calor específico de una sustancia: cantidad de calor necesaria para elevar la Tde un gramo de dicha sustancia un grado. [Jg‐1K‐1]

p

vv

1 1

n n

1 1

n T n

P

P

V

q HC

dT T

q UC

d T

Capacidad calorífica molar a P cte

Capacidad calorífica molar a V cte

U,Hf(T,P,V)

p. Intensivasf=(T,P,V)

CP

(J/g.K)300bar

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CPf(T,P,V)

Differential Scanning Calorimetry (DSC)

t (ºC)

500bar

1bar0

5

350650

150bar

CP400ºC

30 H2O

(J/g.K)

P (bar)

0

5

0 1000500

500ºC350ºC

600ºCCP > 0

CV > 0CP ≠ CV

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¿Cuál es la relación entre CP y CV?


P V

P V

H UC C

T T

P P V

U V UP

T T T

H U PV

( , )U f T VV T

U UdU dT dV

T V

V V P V T P

U U U V

T T V T

( , )V f T PP T

V VdV dT dP

T P

P VT P

U VC C P

V T

P V T PT T V T

¿Cuál es la relación entre CP y CV?


P V

P V

H UC C

T T

P P V

U V UP

T T T

H U PV

P VT P

U VC C P

V T

Gas Ideal

PV nRT

0T

U

V

P

V nR

T P

CP‐CV = nR

Gas Ideal

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4.4.‐‐ CÁLCULO DE CÁLCULO DE U y U y H en procesos sencillos de H en procesos sencillos de sistemas cerradossistemas cerrados

De forma general

( , )U f T V

( , )H f T P

V T

U UdU dT dV

T V

P T

H HdH dT dP

T P

VT

UC dT dV

V

PT

HC dT dP

P

• En un proceso cíclico

0f iU U U

0f iH H H 0T P V


• Cambio de Fase a T y P constante

T100ºC

H2O1at

tiempo

P extU q w Q P dV

U H P V • El QP se emplea en V y en U, que depende del estado de agregación

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• Proceso Isobárico (Pcte) sin cambio de fase

T100ºC

H O

P T

H HdH dT dP

T P

( )PH C T dT PC T P=cte

Si CP cte

dU q w

extW P dV P=cteU H P V

• Proceso Isocórico (Vcte)

tiempo

H2O1at

• Proceso Isocórico (Vcte)

V T

U UdU dT dV

T V

V=cte

( )VU C T dT VC T Si CV cte

( )H U PV U V P V=cte


• Cambio de estado de un Gas Ideal0

P T

H HdH dT dP

T P

( )PH C T dT PC T G I

Si CP cte

0

V T

U UdU dT dV

T V

( )VU C T dT VC T G I

Si CV cte

0

• Proceso Isotérmico (T=cte) de un Gas Ideal

0dT U=0H=0 extW P dV

W P V P cte rev. o irrev.

2 2

1 1

V PW nRT Ln nRT Ln

V P

T ctegas

nRTP dV dV

V rev.

U Q W Q = ‐W

G I

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• Proceso Adiabático (Q=0) de un Gas Ideal dU q w 0

( )VU C T dT W extP dV

• Proceso Adiabático (Q=0) Irreversible (P cte) de un G.I.

extW P V ( )VU C T dT VC T P V Si CV cte

P PH C dT C T Si CP cte


• Proceso Adiabático (Q=0) de un Gas Ideal dU q w 0

( )VU C T dT W extP dV

• Proceso Adiabático (Q=0) Reversible de un Gas Ideal

VdU C dT w gas

nRTP dV dV

V

P PH C dT C T Si CP cte

V

V

dT dVC nR

T V 2 2

1 1V

T VC Ln nRLn

T V

VU C T W

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• Proceso Adiabático (Q=0) Reversible de un Gas Ideal

2 2

1 1V

T VC Ln nRLn

T V P

V

/

2 1

1 2

VnR C

T V

T V

PV cte

PV cte

Q = 0

T=cte

VG I P V

C C R

P

V

C

C

1

2 1

1 2

T V

T V

1TV cte

PV cte

HISTORIA DEL VAPOR INDUSTRIAL

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HISTORIA DEL VAPOR INDUSTRIAL

DESARROLLO DE LA GENERACION DE VAPOR

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Calderas en Centrales Térmicas

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CALDEROS INDUSTRIALES

• Son equipos diseñados para transferir calor producidotransferir calor producido por combustión, mediante electricidad, o un fluido determinado

• Se emplean para producir agua caliente, vapor saturado vaporsaturado, vapor sobrecalentado

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CALDEROS INDUSTRIALES

E i i d l• Es un recipiente cerrado el cual, por medio de calor producido por un combustible al quemarse, transforma el agua que contiene en vapor a una presión mayor que la p y qatmosférica.

CALENTAMIENTO DE EQUIPOS DEL PROCESO

• Uno o mas calderos proporcionan el vapor necesario para usarlo en las máquinas y equipos de la planta en el proceso de calentamiento

• La combustión siempre produce material de desecho hollín ,cenizas, humo

• Las trampas de vapor son dispositivos que se colocan después de un equipo para separar el vapor húmedo del vapor saturado esta agua caliente se denomina condensado el mismo retorna al calderoel mismo retorna al caldero.

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MANERAS DE CALENTAR CON VAPOR SATURADO

• A) Vapor directo.‐ • B) Vapor indirecto: Se

Inyección directa del vapor al material

• Se emplea en lugares donde el condensado no es problema

• Uso: limpieza de

realiza por medio de chaquetas, serpentines intercambiadores

• Transmite calor por las paredes del recipiente al fluido

Uso: limpieza de paredes, maquinas • El vapor y el condensado

no entran en contacto con el material a calentar

APLICACIONES DEL VAPOR SATURADO

• El vapor de agua generado por un caldero tiene• El vapor de agua generado por un caldero tiene múltiples aplicaciones, dependiendo de su presión, temperatura y caudal son:

– 1.‐ Calentamiento de maquinaria y equipos del procesoproceso

– 2.‐Generación de fuerza motriz mecánica, por máquinas a vapor

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APLICACIONES DEL VAPOR SATURADO

– 3 ‐ Generación de fuerza– 3.‐ Generación de fuerza motriz mecánica por turbinas

– 4.‐ Generación de energía eléctrica por turbinas

– 5.‐ Otros usos menores

OTROS USOS MENORES

• Sacar manchas en la lavandería

• Limpiar fachadas de edificios

• Limpieza de piezas de máquinas

• Calentamiento de las zona de lavado

• Calentamiento de soluciones o concentraciónCalentamiento de soluciones o concentración

• Aire acondicionado climatizado

• VAPORADORES

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Clasificación de los Calderos

CLASIFICACION DE LOS CALDEROS

• a ) Por la disposición de los fluidos

‐ De tubos de agua (acuotubulares)

‐ De tubos de humo (pirotubulares)

• b) Por la circulación de agua

‐ Circulación natural

‐Circulación asistida

Circulación forzada‐ Circulación forzada

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• c) Por el mecanismo de transmisor de calor‐ De convección‐ De radiación‐ De radiación y convección

• d) Por el combustible empleado‐ De carbón mineral‐De combustible líquido‐ De combustible gaseoso‐Nucleares


• Por la presión de trabajo:

Subcrítico‐Subcrítico

‐ De baja presión p< 20 Kg /cm2

‐ De alta presión p> 64 Kg/ cm2

• Supercrítico

• Por el tiro: Tiro natural– Tiro natural

– Tiro forzado

– Tiro inducido

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CALDEROCALDERO PIROTUBULAR

Caldero pirotubularLos gases de combustión circulan por dentro de los tubos, y el agua los rodea por fuera

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Además de los elementos de instrumentación elemental como manómetro y presostato (PI y PS respectivamente), debe considerarse los siguientes elementos:

Caldero pirotubular

∙ Control de nivel∙ Válvula de seguridad∙ Válvulas de salida y purga

Este tipo de generadores, por su diseño no admiten presiones de trabajo elevadas, más allá de las dos o tres atmósferas; son de construcción sencilla y disponen de moderada superficie de intercambio, por lo que no se utilizan para elevadas producciones de vapor.

Su rendimiento global esperado a lo largo de su vida útil no supera el 65% en el mejor de los casos.

Son en compensación, muy económicos en costo y de instalación sencilla, por lo que su utilización actual primordial es para calefacción y producción de vapor para usos industriales.

Caldero pirotubular

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Calderas Igneotubulares o Pirotubulares:

Calderas Igneotubulares o Pirotubulares:

Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua.

Ventajas: Menor costo inicial debido a su simplicidad de diseño. Mayor flexibilidad de operación Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación. Inconvenientes: Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. No son empleables para altas presiones

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CALDEROCALDERO ACUATUBULAR

Caldero acuatubularSon aquellos en los que el agua o vapor circula por dentro de los tubos. El esquema funcional es el siguiente:

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Caldero acuotubular

Caldero acuatubular

A los efectos de fijar conceptos, se puede ver una vista general del armado de una caldera de 120 T/h, de tipo convencional, p ,

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Calderas Acuotubulares:

Calderas Acuotubulares:

Son aquellas en que los gases y humos provenientes dela combustión rodean tubos por cuyo interior circula agua.

Ventajas:Pueden ser puestas en marcha rápidamente.Son pequeñas y eficientes.Trabajan a 30 o mas atm.

I i tInconvenientes:Mayor constoDebe ser alimentadas con agua de gran pureza.

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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 saleentra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro.

COMPONENTES PRINCIPALES

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• Conjunto del Quemador: prender el equipo, este dispositivo hace que se produzca una chispa entre los electrodos originada por el alto voltaje que produce un t f d i d l il t b l dtransformador, se enciende el piloto, se abre el paso de combustible y de aire para que encienda la flama, y una vez que la fotocelda verifica lo anterior, se mantiene en funcionamiento. El conjunto del quemador comprende las boquillas, los electrodos, la fotocelda y el cañón quemador.

Control de nivel del agua: Verifica que el nivel del agua dentro de la caldera sea un nivel seguro para que ésta encienda. Durante la operación, vigila y corrige errores; si baja el nivel, envía una señal a la bomba de alimentación para que arranque e inyecte más agua sila bomba de alimentación para que arranque e inyecte más agua, si continúa bajando, por seguridad envía otra señal al quemador para que se apague y no permite que se encienda hasta tener un nivel seguro; y en caso de que suba el nivel del agua, envía una señal para que se pare la bomba. El sistema de control de nivel del agua comprende del cristal de nivel visual, grifos de prueba del cristal de nivel, columna de nivel y control de nivel de agua

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Bomba de inyección de agua: Al bajar el agua del nivel j gmínimo de operación, recibe la señal del control de agua y arranca, tomando agua del tanque de condensado e introduciéndola a la caldera; en cambio, cuando sobrepasa un nivel de seguridad prefijado, también se apaga para notambién se apaga para no exceder el nivel de operación y ahogar la caldera.

• Cuerpo de la caldera: En el interior de la caldera se encuentra el hogar (espacio donde se lleva a cabo la combustión) y los tubos, donde se lleva a cabo el ) y ,calentamiento del agua, ya sea interior o exteriormente, y tiene un aislamiento interior y exterior para evitar pérdidas de calor y quemaduras al personal. También cuenta con tapas y registros para permitir el acceso para darle mantenimiento. Comprende de tubos, material refractario, mamparas (no siempre), empaques.

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• Sistema de combustible: Este sistema mantiene la alimentación de combustible adecuada para la combustión que se realiza en el hogar de la caldera. Comprende tuberías, filtros, bomba de combustible y válvula solenoide.

• Sistema de aire: Este sistema es el elemento primordial para mantener una combustión Debe ser regulado de acuerdo al consumo de vapor yuna combustión. Debe ser regulado de acuerdo al consumo de vapor y en proporción adecuada al combustible, para mantener la flama con una combustión no contaminante y económica. Comprende la malla del ventilador, el ventilador y las varillas de ajuste para el modulador de entrada del aire.

• Controles eléctricos: El programador es el cerebro de la caldera, ya que se encarga de efectuar la secuencia adecuada del encendido y apagado del equipo. En este sistema existen auxiliares de arranque y paro por presión (presostato) a partir de una presión establecida Envía unapresión (presostato), a partir de una presión establecida. Envía una señal para modular la flama, variando la entrada de aire a través del modulador de entrada del aire. Comprende del control programador, presostato, control de nivel de agua, modulador de entrada del aire y alarma.

EQUIPOS AUXILIARES PARA EL SISTEMA DE GENERACIÓN DE

VAPOR

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• Equipo de suavización de agua: Convierte el agua común en agua “blanda”, la cual puede ser utilizada para alimentar la caldera.

Tanque de retorno de condensados: Es un recipiente que contiene el agua de alimentación a la caldera y debe de cumplir con tres funciones primordiales:

– Mantener una reserva mínima de agua, suficiente para l l lalimentar a la caldera durante 20 minutos; esto determina las dimensiones que debe tener.

– Recuperar el agua suave de los retornos de los condensados. Para mantener económica la producción de vapor, debe recolectarse el condensado, ya que es agua suavizada y calentada, que tiene un costo extra en su producción y por lo tanto no debe desperdiciarse.p y p p

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– Precalentar el agua de alimentación a la caldera.El agua de alimentación a las calderas debe estar a la mayor temperatura posible para evitar daños internos a la caldera al introducirle agua “fría”, y además por economía, para gastar menos combustible al elevar la temperatura del agua para convertirla en vapor Cuanto másagua para convertirla en vapor. Cuanto más caliente se le introduzca el agua, más aumenta la capacidad de la caldera.

• Tanque deareador o desaereador: Cuando las calderas instaladas sobrepasan de 200 caballos caldera, para producción de vapor, se justifica la utilización de este tipo de tanque, que cumple con las mismas funciones del tanque de condensados, además de que remueve el excedente de aire y los gases corrosivos (oxígeno bióxido de carbono) agases corrosivos (oxígeno, bióxido de carbono) a través de un deareador que se instala en su interior para crear corriente de vapor que obligue a salir por el venteo (puede ser automático o manual).

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TRANSMISION DE CALOR

• La transmisión de calor desde la fuente caliente (gases de combustión) al fluido de trabajo (agua – vapor) se realiza a t é d l fi i d i t bi t ltravés de la superficie de intercambio, en este caso, las paredes de los tubos del generador.

• El proceso reconoce tres efectos:

– 1. Radiación (desde los gases calientes y luminosos hacia las paredes externas de los tubos)2 C ió (d d l l lí it t l d– 2. Convección (desde los gases en la capa límite contra la pared exterior de los tubos)

– 3. Conducción (entre las superficies externa e interna de los tubos)

– 4. y nuevamente convección en la capa límite de la superficie interna de los tubos hacia el fluido de trabajo.

Tiro

• Es la diferencia entre la presión d l ld l ióde la caldera y la presión atmosférica.

• El tiro es necesario para el funcionamiento del hogar de una caldera, con el fin de poderle suministrar el aire necesario para la combustión del combustible y arrasar los gases quemados hacia el exterior a través de la chimenea

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Tiro Natural

• Se produce por el efecto generado por una chimenea. Su valor depende de la altura de la boca de la chimenea sobre el i l d l ill dnivel del emparrillado

del hogar

Tiro Mecánico

• Es el tiro creado por la ió d i t dacción de inyectores de

aire, vapor o mediante ventiladores, el cual se requiere cuando deba mantenerse un determinado tiro con independencia de las

di i fé icondiciones atmosféricas y del régimen de funcionamiento de la caldera

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Funcionamiento de una Caldera

Ciclo Combinado

Este ciclo combina el Ciclo Rankine con el cilo Brayton de esta forma se consigue un aumento de potencia gracias a la caldera recuperadora de calor.....

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Esquemático del Ciclo Combinado

COMBUSTION COMPLETA ESTEQUIOMETRICA

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COMBUSTION COMPLETA CON EXCESO DE AIRE

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CONSUMO DE COMBUSTIBLE APROXIMADO EN FUNCION DE LA POTENCIA hP

automatización de calderos industriales

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