calderas control y conceptos

7/28/2019 Calderas Control y Conceptos

1/251


2/251

PREFACIO

Al momento de evaluar el xito de una instalacin industrial enfuncin de mejoras continuas, siempre se tiene en cuenta que el uso

de estrategias de control eficientes puede hacer que la planta produzcams y, a la vez, con menor costo. La generacin y el uso de la energason 'candidatos para este tipo de anlisis.

Muchos operadores, tcnicos e ingenieros de control reconocenque la tecnologa de control muchas veces ha estado limitada amantener al mnimo la desviacin entre la medicin ye! valor deseadoen estrategias de control generalmente fijadas por otros. Si esoscontroles se aplican con poca comprensin del funcionamiento del

proceso, o de qu es lo que ste necesita, la efectividad de loscontroles ser pobre y algunas veces hasta caern en desuso.

Los sistemas de control ms efectivos resultan, entonces, de unanlisis de las caractersticas del proceso a controlar, incluyendo susdefectos y limitaciones, sus interacciones y demandas.

Dos Cuadernos Profesionales cubren temas relacionados alcontrol de calderas. El presente volumen est destinado a ayudar a los

profesionales y usuarios del control a comprender el proceso industrialde la transformacin de agua en vapor, como base para elentendimiento de su control automtico. Estos conceptos bsicos sonuna herramienta para operarlos ms eficientemente, y an mejorarlos.Se incluyen, adems, las estrategias de control ms bsicas y que danfundamento a un segundo volumen en preparacin.

En el volumen Calderas II - Controles Avanzados se analizarnestrategias ms complejas, adecuadas a diferentes configuraciones degeneradores de vapor, tanto para procesos como para generacin deelectricidad, teniendo en cuenta la confiabilidad operativa, laseguridad, la efic iencia y la contaminacin ambiental.

Carlos Ricci

Repblica Argentina, 1993


3/251

SUMARIO

Captulo IIntroduccin

I.1 Generalidades 6

I.2 Para qu queremos vapor...? 6

Captulo II Propiedades fsicas del vapor 7

Captulo Ill Transferencia de calor en calderas

III.1 Conduccin 10

III.2 Conveccin 10III.3 Radiacin 11III.4 Anlisis de la transferencia de calor a travs de un tubo 12III.5 Distribucin de la superficie de calefaccin 12III.6 Nucleate boiling 16III.7 Film boiling 17

Captulo IV Circulacin de agua en calderas

IV.1 Fundamentos sobre el efecto de la circulacin 18

IV.2 Factores que afectan la circulacin 20

Captulo V Caractersticas bsicas de las calderas modernas

V.1 Un poco de historia... 21V.2 Calderas humotubulares 21V.3 Calderas acuotubulares 22

Captulo VI Combustin

VI.1 Fundamentos bsicos de la combustin 40VI.2 Combustibles 41VI.3 Aire atmosfrico 44VI.4 Exceso de aire 44VI.5 Exceso de aire vs. monxido de carbono 45VI.6 Exceso de aire vs. xidos de nitrgeno 46VI.7 Poder calorfico superior e inferior 47


4/251

SUMARIO

Captulo VII Eficiencia de una caldera

Vll.1 Definicin de rendimiento de una caldera 49VII.2 Factores principales que influyen

en el rendimiento 49Vll.3 Anlisis de los gases de salida

de chimenea 50

Captulo VIII Lazos de control bsicos para calderas

Vlll.1 Introduccin/Simbologa 56Vlll.2 Sistema de seguridad y encendido 57Vlll.3 Lazos de control de nivel de domo 58

Vlll.4 Lazos de control de combustin 59Vlll.5 Lazos de control de temperatura de vapor 62Vlll.6 Lazos de control de presin de hogar 62Vlll.7 Lazos de control de purga continua 63


5/251

Captulo I

Introduccin

I.1 Generalidades

No es la intencin de esta publicacin profundizar en losaspectos tcnicos, constructivos y/o de diseo de los generadores devapor, pero s cubrir los aspectos bsicos que se necesitarn conocera fin de evaluar cuales son los procesos fsicos que tienen lugar dentrode los mismos y como se relacionan estos con el control automtico.

I.2 Para qu queremos vapor ....?

En un mundo en continuo crecimiento, en donde la demanda deenerga crece da a da, la generacin de vapor como medio detransferencia energtica, crece en importancia para aplicaciones talescomo generacin elctrica, procesos industriales de manufactura ycalefaccin.

Hoy en da prcticamente todos los establecimientos industrialesposeen de una manera u otra aplicaciones que se relacionan de unamanera directa o no con la generacin y/o uso racional del vapor. Esdebido a esto que la caldera y sus equipos auxiliares se convierten enun eslabn estratgico dentro de la cadena del proceso industrial. Por

lo tanto, es de vital importancia hacer nfasis en trminos tales comoconfiabilidad, independencia operativa, seguridad y eficiencia. Estascuatro ltimas condiciones no slo dependen del equipamiento degeneracin de vapor, sino que estn estrechamente relacionadas conel sistema de control regulatorio, como as tambin el de seguridad yencendido.

Debido al continuo crecimiento del tamao de las calderas, todamejora en la eficiencia por pequea que sea merece ser evaluada, ya

que esto podra redituar en un ahorro sustancial de combustible.

En las hojas que siguen se detallan primero conceptos bsicossobre la generacin del vapor, las caractersticas bsicas de losgeneradores modernos y por ltimo veremos esquemas de controlbsicos.


6/251

Captulo II

Propiedades fsicas del vapor

Si calentamos dentro de un recipiente cerrado y rgido, unamasa de agua, partiendo desde una presin (atmosfrica) y una

temperatura determinada, sta se calentar hasta una temperaturadada, (99C), a partir de la cual comenzar el proceso de ebullicin,con la consiguiente liberacin de vapor.

El vapor as liberado comenzar a llenar rpidamente todos losespacios disponibles dentro del recipiente.

Ala presin atmosfrica, 1 K de vapor ocupa 1,750 veces msvolumen que el mismo peso en agua. Debido a que el recipiente es

rgido y que ya no existe ms espacio disponible, la liberacin de msvapor comenzar a comprimir a la masa de vapor ya existenteresultando un aumento en la presin de ste.

De seguir suministrando calor, la presin seguir aumentandosignificativamente hasta que la totalidad de la masa de agua se hayaconvertido en vapor. Este aumento en la presin ir acompaado deun leve aumento de temperatura.

A partir de ah, el aporte de ms calor traer aparejado unaumento menos significativo en la presin, pero de mayor importanciaen la temperatura del vapor.

Describiremos a continuacin algunos conceptos relacionadoscon la terminologa que necesitaremos conocer.

Volumen especfico y Densidad

Cuando se describi el proceso del ejemplo detallado ms

arriba, fue necesario, a fin de poder realizar una comparativa entre dosdiferentes estados, relacionar el volumen que ocupaba un determinadofluido con el peso del mismo. A esta relacin se la conoce comovolumen especfico y est expresado en m3/K.

La densidad es la inversa del volumen especfico y se expresaen K/m

3.


7/251

Entalpa del lquido

La cantidad de calor necesario para llevar el agua desde sutemperatura inicial de referencia (0C) hasta su temperatura deebullicin se conoce como la entalpa del lquido y est expresado enKcal/Kg.

Temperatura de saturacin

Cuando el agua entra en ebullicin ambos, agua y vapor poseenla misma temperatura. A esta temperatura se la conoce como,temperatura de saturacin. Para cada presin de ebullicin slo existeuna temperatura de saturacin y viceversa. Durante el proceso deebullicin y a pesar del agregado de calor, la temperatura tanto del aguacomo la del vapor se mantienen iguales y constantes; esta ltima

condicin es verdadera siempre y cuando mantenga constante lapresin.

Entalpa de evaporacin

El calor suministrado durante el perodo de ebullicin, esutilizado para producir estrictamente el cambio de fase de lquido envapor. La cantidad de calor necesario para llevar toda la masa delquido a estado de vapor se conoce como la entalpa de

evaporacin, est expresado en Kcal/Kg y su valor depende de lapresin.

Entalpa del vapor saturado

Si a la entalpa de evaporacin se le suma la del lquido,tendremos lo que se llama entalpa del vapor saturado y estexpresada en Kcal/Kg Es la cantidad total de calor que se debe

suministrar a un Kilogramo masa de agua desde la temperatura de

referencia (0C) para transformarlo totalmente en vapor.

Vapor sobrecalentado

En tanto el vapor y el agua estn en contacto, sus temperaturasse mantendrn iguales. Si logrramos separar el vapor del agua ycontinuramos suministrando calor a la primera, estaramos enpresencia de lo que se conoce como vapor sobrecalentado.


8/251

Entalpa del vapor sobrecalentado

La cantidad de calor necesario para convertir un Kilogramomasa de agua a 0C en vapor sobrecalentado a una presin ytemperatura determinada se llama entalpa de vapor sobrecalentadoy estar expresada en Kcal/Kg. Esta entalpa como as tambin su

temperatura ir en aumento segn se siga suministrando calor.

Punto crtico

A medida que se aumenta la presin llegaremos a un punto en elcual el agua cambia de estado sin entrar en ebullicin. A este punto selo conoce como punto crtico y se encuentra a 374C a una presinde 225 Kg/cm

2Abs.

Tablas de vapor

Debido a que las propiedades del vapor y el agua estndefinitivamente fijadas por la naturaleza, stas pueden ser medidas ytabuladas. A esta documentacin se la conoce ms comnmente por"Tablas de vapor de agua". All se encuentran datos como ser:volumen especfico, entalpa, entropa y viscosidad, todas estasvariables en funcin de la temperatura y la presin.


9/251

Captulo Ill

Transferencia de calor en calderas

En el captulo anterior nos referimos constantemente a laadicin de calor como medio para producir el cambio de estado del

agua en vapor.

Discutamos ahora cules son aquellos medios a travs de loscuales se produce la transferencia de calor desde la fuente caliente,que son los gases, a la fuente fra, que son el agua y vapor.

Bsicamente existen tres diferentes maneras en la cual viaja elcalor. Estas son conduccin, conveccin y radiacin.

III.1 Conduccin

Es la forma de transferencia en la cual el calor se propaga atravs de un punto a otro dentro de un determinado material, o a travsde otro contiguo a ste. Para entender este fenmeno basta recordarque agregar calor implica producir una mayor actividad molecular en lamateria. Esta actividad se puede interpretar como vibraciones de susmolculas. Dicha vibracin excita a las molculas adyacentes, lo quese traduce en un flujo de calor en sentido de la zona de mayor a menor

temperatura.La capacidad de un material que define si es buen conductor de

calor, se denomina "Conductividad Trmica" y est expresada enKcal/h C m.

Los gases y vapores son malos conductores, los lquidosmucho mejores y los metales son los mejores. A su vez, laconductividad trmica es funcin de la temperatura del material.

III.2 Conveccin

Es la forma de transferencia del calor por medio del desplaza-miento de los fluidos de un sitio a otro. Este fenmeno puedepresentarse de dos formas distintas: conveccin natural o forzada.

III.2.1 Conveccin natural

Cuando una porcin de fluido se calienta, experimenta un aumento de

su temperatura y en consecuencia su densidad se reduce.


10/251

Esto genera un desequilibrio natural de fuerzas respecto a aquellaporcin de masa que an no ha experimentado dicha variacin detemperatura. El resultado de este desequilibrio trmico motiva que laporcin de masa ms liviana ascienda, alejndose de la fuente de calor,mientras la ms pesada o sea la de menor temperatura, descienda,crendose por consiguiente lo que conocemos como transferencia de

calor por medio de la circulacin natural.

III.2.2 Conveccin forzada

Cuando a un fluido al que se lo calienta, se lo fuerza a circular pormedios mecnicos, por ejemplo: una bomba, un ventilador, etc., se estante la presencia de lo que se conoce como la transferencia de calor pormedio de la circulacin forzada.

III.3 Radiacin

Todos los cuerpos irradian energa. La radiacin, a diferencia dela conduccin o conveccin, no necesita medio fsico para trasladarse;viaja tanto a travs de la materia, como a travs del vaco. Su forma depropagacin es similar a la de la luz, o sea por ondaselectromagnticas.

Puede presentarse como radiante luminoso o no luminoso. Uncuerpo sometido a radiacin es calentado slo del lado expuesto. El

otro lado, el que est a la sombra, no sufrir, por efecto de la radiacin,variacin alguna de su temperatura.

La cantidad de calor irradiado por un cuerpo depende en algunamedida de su forma, tamao y composicin, pero fundamentalmentees directamente proporcional a su temperatura absoluta (Tabs =Temp.C + 273C) elevada a la cuarta potencia. Esto significa que si

la temperatura absoluta de un cuerpo aumenta al doble, el calor

irradiado por ste ser ahora de 16 veces la anterior. Es importantedestacar que dos cuerpos enfrentados irradian ambos calor de acuerdoa cada una de sus temperaturas absolutas, pero el calor netotransferido del cuerpo de mayor temperatura hacia el de menortemperatura, ser la diferencia algebraica entre ambos.


11/251

III.4 Anlisis de la transferencia de calor a travs de untubo

Tomemos por ejemplo un tubo en cuyo interior circula mezclaagua/vapor, ubicado dentro de una corriente de gases en un hogar.Veremos que la transferencia de calor de los gases producto de lacombustin con el agua/vapor, se debe a una compleja interaccin delos tres fenmenos anteriormente descriptos: radiacin, conveccin yconduccin.

La parte exterior del tubo estar expuesta a la combinacin deradiacin luminosa de la llama y de los gases y no luminosaproveniente de otros tubos. A su vez, la masa de gases provenientesde los quemadores llega a los tubos transfiriendo calor a stos pormedio de conveccin forzada.

En el exterior e interior del tubo se adhieren unas pelculas muydelgadas de gases yagua/vapor respectivamente. El calor provenientede la masa de gases deber porconduccin atravesar la pelcula degases, luego el espesor del tubo, atravesar la pelcula agua/vapor yrecin entonces transferir su carga trmica a la masa agua/vapor, lacual ascender debido a la conveccin natural.

La temperatura del metal del tubo no slo depender de las

temperaturas de la masa de gases o de la mezcla agua/vapor dentrodel mismo, sino de como se lleva a cabo la cada de temperaturas atravs de las distintas pelculas. Los tubos expuestos a los gasescalientes que transportan; vapor, poseen mayores temperaturas demetal que en aquellos que transportan mezcla agua/vapor, ya que laconductividad de la pelcula de vapor es pobre comparada con la delmetal la del agua/vapor.

Ill.5 Distribucin de la superfic ie de calefaccin

La cantidad de superficie de calefaccin de una caldera y laforma de distribucin de sta, afecta directamente la capacidad yeficiencia de la misma.

A continuacin haremos una breve introduccin de las distintassecciones y equipos pertenecientes a las calderas acuotubularesmodernas; tema que retomaremos con mayor detalle en el Captulo V.Tomemos el caso de una caldera acuotubular moderna de 42Kg/cm2 Abs.


12/251

Imaginemos a esta unidad de dimensiones fijas provista de ungrupo determinado de sucesivas filas de tubos correspondientes al hazconvectivo y que son atravesados por gases producto de lacombustin. La cantidad de calor transferido de los gases a la mezclaagua/vapor es directamente proporcional a la masa de gases queatraviesa aquellas filas, de su calor especfico y de su salto de

temperatura.

En un estado estacionario, la masa de gases que atraviesadicho haz convectivo se mantendr constante. Por otro lado, el calorespecfico de los gases, si bien est en funcin de la temperatura destos, puede considerarse, para el siguiente anlisis, prcticamente

constante. En consecuencia, la cantidad de calor transferido esfuncin directa de la cada de temperatura de los gases.

Asumamos que la temperatura de ingreso de gases a laprimera fila sea de 1650C, la temperatura de saturacin correspon-diente a 42 Kg/cm

2Abs de la mezcla agua/vapor que circula por dentro

de los tubos es de 252C. Supongamos que la temperatura de salidade gases de la ltima fila de tubos sea de 1100C. Por lo anteriormentemencionado, esta cada de temperatura de 550C se debe al calorcedido por los gases o absorbido por la mezcla agua/ vapor.

Si volvemos a instalar otro grupo de filas sucesivas de tubos de

idnticas caractersticas a continuacin de la anterior, la temperaturade entrada de gases a la primera fila slo ser de 1100C, mientras latemperatura de salida de la ltima fila slo ser de

Figura IILA - Efectividad trmica.


13/251

800C, siendo la cada de temperatura en este grupo de tan slo300C. Por otro lado, la temperatura de la mezcla agua/vapor dentrodel tubo, al encontrarse en su estado de saturacin y a la mismapresin, no vara. Esto nos demuestra que aunque aumentemos lasuperficie de calefaccin en mdulos de igual superficie, las cadas detemperaturas en cada una de ellas ser menor a la anterior y en

consecuencia tambin la cantidad de calor cedido por los gases.

Aqu cabe mencionar la aparicin de un nuevo trmino: efectivi-dad trmica, pues es una medida que refleja las ganancias eneficiencia y capacidad de una caldera en funcin del agregado demayor superficie de calefaccin.

La realidad indica que a medida que aumenta la superficie decalefaccin, aunque este aumento sea de idnticas proporciones a laanterior, menor ser la ganancia que resulte (Ver Fig. Ill. A). Sinembargo, es cierto que cada aumento en la superficie de calefaccintrae aparejado un aumento de calor absorbido o sea mayor capacidadde generacin y mejora en la eficiencia. Pero se alcanza un punto en elcual la diferencia entre temperatura de gases y la de la mezclaagua/vapor se hace tan pequea, que todo intento de agregado demayor superficie, no aportar ganancia alguna. Aquel punto es el lmiteeconmico para agregado de mayor superficie.

En la carrera de fabricar generadores de vapor ms eficientes y

econmicos, los diseadores han desarrollado equipos de recupe-racin con superficies de calefaccin en una variedad de formas.Veamos el caso de una caldera moderna acuotubular y analicemos

Figura III.B Superficie de calefaccin en una caldera moderna acuotubular


14/251

cada una de estas superficies en el sentido de la circulacin de losgases, (Ver Fig. Ill. B).

III.5.1 Hogar

El hogar, en una caldera moderna, est virtualmente delimitadopor tubos, (paredes de agua), que absorben calor. Esta superficierelativa representa slo el 9% de la superficie total de la unidad, peroen l se absorbe el 48% del calor total. Esta alta efectividad trmica sedebe fundamentalmente al efecto de la radiacin, que es consecuenciade la exposicin directa a las llamas y gases de combustin en la zonade mayor temperatura.

III.5.2 Sobrecalentador

El vapor saturado proveniente del domo, se calienta en el

sobrecalentador, en donde las temperaturas de los gases a la entradaan son elevados, existiendo todava algn efecto de la radiacin. Susuperficie relativa representa el 9% de la superficie total de la unidad,pero en l se absorbe el 16% del calor total.

III.5.3 Haz convectivo

El nombre de esta seccin est relacionado con la formamediante la cual se lleva a cabo la transferencia del calor, (conveccin

forzada de gases). Es una zona de baja temperatura si la comparamoscon las dos primeras secciones. La temperatura del agua/vapor con elque tiene que intercambiar calor, est en estado de saturacin a lapresin del domo. Su superficie relativa representa el 33% de lasuperficie total de la unidad, pero en l se absorbe solamente el 20%del calor total. Esta relacin calor absorbido vs. superficie nos indicaque ya habremos alcanzado el lmite econmico de agregado demayor superficie de intercambio.

A pesar de haber alcanzado aquel lmite econmico, la tempe-ratura de los gases a la salida de este sector sigue suficientementeelevada como para poder seguir sacando provecho de ellos. Esto esposible, pero no a expensas del agregado de ms superficie en lacaldera propiamente dicha. Por tal motivo aparecen en escena dosequipos adicionales: los economizadores y los calentadores de aire.


15/251

III.5.4 Economizador

En este punto, los diseadores dirigieron sus esfuerzos aniveles trmicos bajos. Debido a que la temperatura del agua dealimentacin, en la gran mayora de las aplicaciones, debe estar pordebajo de la de saturacin a la presin del domo, es posible elevar la

temperatura del agua de alimentacin hasta valores que se acerquenal de saturacin utilizando parte del calor remanente de los gases. Lasuperficie del economizador representa el 6% de la superficie total dela unidad, pero en l se absorbe el 6% del calor total.

III.5.5 Calentador de aire

En esta superficie, los diseadores dirigieron sus esfuerzos aniveles trmicos an ms bajos que en los economizadores. Antes deevacuar los gases a la atmsfera, stos intercambiarn calor con elaire destinado para la combustin.

Utilizando un calentador de aire, se obtiene una reduccin en lacantidad de calor que debe liberar el combustible dentro del hogar.Pero debido a las bajas temperaturas y a la inevitable malaconductividad gas-aire, su superficie relativa representa el 43% de lasuperficie total de la unidad, pero en l se absorbe solamente el 10%del calor total.

En algunas unidades no siempre se implementan conjunta-mente estos dos ltimos recuperadores de calor, sino que sueleimplementarse uno otro.

III.6 Nucleate boil ing

Los tubos de pared de agua del hogar estn diseados para queen su interior se desarrolle el fenmeno que se conoce como"nucleate boiling", cuya particularidad se debe a que siempre

aparecen, entre la interfase agua-tubo, burbujas de vapor mezcladascon agua, de manera tal que este ltimo acte como un refrigerantepara el tubo debido a su buena conductividad.

Si por alguna anormalidad el fenmeno del "nucleate boiling"desapareciera, debido por ejemplo a un aumento excesivo de la cargatrmica, se formara una pelcula de vapor entre el tubo y la masa deagua. Como se coment en su oportunidad, la conductividad de esta


16/251

pelcula es mala comparada con la del agua, y en consecuencia elcalor aportado atraviesa dicha pelcula con dificultad, provocando unaumento de temperatura en la pared del tubo. Si esta temperaturallegara a superar a la mxima de diseo del material del tubo a lapresin de operacin, sera factible la rotura del mismo.

La desaparicin del "nucleate boiling" tambin puede ocurrir sise presentara un aumento considerable de la presin, pues a medidaque sta aumenta, la formacin de la pelcula de vapor tiende adesplazar a la mezcla agua/burbujas de vapor.

III. 7 Film boiling

En cambio, en el diseo de los tubos del sobrecalentador ya secontempla el fenmeno de aparicin de esta pelcula de vapor, "filmboiling", como interfase tubo-vapor. Desde ya las exigenciastrmicas con respecto al material de estos tubos es alta, encomparacin con las del resto de la caldera.


17/251

Captulo IV

Circulacin de agua en calderas

IV. 1 Fundamentos sobre el efecto de la circulacin

Ahora analizaremos que le sucede al agua cuando a sta se leagrega calor.

En un simple recipiente de vidrio se puede visualizar, sin mayordificultad, lo que sucede si este es calentado desde su parte inferior.Burbujas de vapor y agua caliente ascienden producto del desplaza-miento por agua ms pesada libre de vapor proveniente de zonassuperiores y de menor temperatura. Este efecto da comienzo al cicloque ya hemos mencionado cuando definimos a las corrientes de

circulacin por conveccin natural. Estas desplazan las burbujas a lasuperficie de interfase, en donde se liberan formando vapor.

Figura IV.A Modelo simplificado de una caldera acuotubular


18/251

En una caldera acuotubular, la mezcla agua/vapor circuladentro de un gran nmero de tubos que son calentados externamentepor los gases producto de la combustin. Para ver lo que sucede enestas unidades se puede analizar un modelo simplificado, como seejemplifica en la Fig. IV. A. Se trata de un recipiente que estcompuesto por una salida para vapor, una entrada de agua de

alimentacin y un tubo en forma de lazo que sale y nuevamente ingresaa l. A este lazo se lo puede dividir en dos piernas: una que recibe lacarga trmica y la otra que no.

El peso de una columna de agua es igual al producto de la alturade sta por su rea y por su densidad. Vemos que tanto la altura comosu rea son iguales en ambas piernas, por lo que la mayor o menorcirculacin se debe fundamentalmente a la diferencia de densidadentre ambas.

Aqu sucede lo mismo que ya hemos mencionado, o sea laaparicin de una corriente convectiva natural debido a la diferencia dedensidades de una pierna respecto a la otra.

En aquella pierna que efectivamente recibe la carga trmica,comienzan a formarse burbujas de vapor que al final de recorrido (B)ya coexiste una mezcla agua/vapor compuesta de aproximadamente85% de agua y 15% vapor en peso. En la unin imaginaria de ambaspiernas (A), se establece eldesequilibrio de fuerzas.

Figura IV.B Factores que afectan la circulacin


19/251

Este desequilibrio que producir la circulacin, se auto limitarcon las fuerzas de rozamiento presentes en el circuito. Si por algnmotivo se produjera un incremento de aquel desequilibrio, debido porejemplo a un aumento en la carga trmica, instantneamente seproducira un incremento en la velocidad de circulacin, pero tambin yde forma mucho ms significativa en las fuerzas de rozamiento, ya que

stas se incrementan con el cuadrado de la velocidad. Este incrementode circulacin crece hasta que se alcance un nuevo punto deequilibrio.

IV. 2 Factores que afectan la circulacin

El correcto anlisis de todos los factores que afectan a lacirculacin es altamente complejo, sin embargo los ms importantesson:

A) Diferencia de densidades entre el agua y la mezcla agua/vapor.

B) Prdidas por rozamientos existentes en el circuito y que se oponena la circulacin.

De la Fig IV. B se desprende que a medida que aumenta lapresin, disminuye la fuerza disponible para producir la circulacinnatural. Este efecto se contrarresta en parte, debido a que elcoeficiente de rozamiento disminuye al aumentar la presin.

En las unidades que operan a presiones supercrticas ocercanas a ella, se hace obligatorio el uso de la circulacin forzada, yaque la densidad del agua tiende a igualar a la del vapor.

Cabe mencionar que la cantidad de masa que circula en el hazconectivo, paredes, piso y techo del hogar, es considerablementemayor a aquella generada. La relacin es tal que por cada Kg de vaporque se genera, recircula 10Kg de mezcla agua/vapor dentro de estas

superficies.

Es importante la magnitud admisible de la carga trmica con lacual se disea las diferentes superficies de las calderas. En lascalderas acuotubulares, las superficies ms comprometidastrmicamente son: paredes de agua del hogar, tubos pantalla ysobrecalentadores. Estas estn diseadas para mantener la tempe-ratura del metal de sus tubos dentro de los mrgenes de seguridad.


20/251

Captulo V

Caractersticas bsicas de las calderas modernas

V. I Un poco de historia

En sus primeras versiones, este equipo trmico consista en unrecipiente con una entrada de alimentacin de agua y una salida devapor, todo esto montado dentro de un recinto delimitado por ladrillosrefractarios llamado hogar. El combustible se quemaba sobre unagrilla ubicada dentro del hogar de manera tal que el calor liberadoincida directamente sobre la superficie inferior del recipiente, trans-firiendo su carga trmica a la masa de agua dentro del mismo. Losgases de combustin se evacuaban por una chimenea.

Los diseadores pronto notaron que era notablemente ineficientecalentar un nico recipiente de agua. Consecuentemente, fraccionandoaquella masa de agua en pequeas partes, se lograra un contactoms ntimo con el calor. De este modo comenzaron a aparecer dosgrandes grupos de calderas: humotubulares y acuotubulares.

Si bien encontraremos en las aplicaciones industriales moder-nas, tanto una como otra, nos proponemos analizar con mayor detallelas calderas acuotubulares, pues en l se cubren prcticamente todoslos fenmenos que necesitaremos conocer.

V. 2 Calderas humotubulares

Las calderas Humotubulares, Fig. V. A, estn compuestasbsicamente por una envuelta y un hogar cilndrico, este ltimoubicado dentro de la primera. Estos dos cilindros estn ligados en susextremos por las placas tubulares que a su vez son recorridas por unacantidad determinada de tubos.

En estas calderas, tal como su nombre lo indica, la mayor partedel intercambio trmico se realiza por los gases producto de lacombustin, que circulan dentro de tubos y que estn totalmenterodeados de agua. El resto del intercambio tiene lugar a travs delhogar, que tambin se encuentra totalmente rodeado de agua.

De esta manera no slo se incrementa la superficie decalefaccin expuesta sino que se tiende a distribuir de formahomognea la formacin del vapor dentro de la masa de agua.


21/251

Las calderas humotubulares estn limitadas fundamentalmentepor la presin de trabajo, pues a medida que aumenta su capacidad,tambin lo hace el dimetro de la envuelta y por consiguiente elespesor de sta, alcanzando un punto a partir del cual, el uso de lamisma se hace antieconmico y poco seguro.

Su campo de aplicacin es limitado y estn ms orientadas a lageneracin de vapor saturado para procesos de calentamiento, conpresiones que van desde los 5 a 17 Kg/cm

2y capacidades que llegan

hasta los 25,000 Kg/h.

V. 3 Calderas acuotubulares

A diferencia de las calderas humotubulares, en las calderasAcuotubulares es la mezcla agua/vapor la que circula por dentro delos tubos. Estas calderas, (ver Fig. V. B), cubren gran parte de lasnecesidades del espectro de aplicacin industrial.

Figura V.A Caldera Humotubular


22/251

A continuacin detallaremos algunos de los componentes ycircuitos ms importantes que componen a este tipo de caldera.Tambin mencionaremos los factores ms importantes que incidendirectamente sobre su funcionamiento.

V. 3.1 Domo superior

El domo superior cumple con las siguientes funciones:

a) Proveer el espacio fsico para producir la separacin de fase entre lamezcla agua y vapor.

b) Proveer el espacio fsico para alojar todos los elementos deseparacin necesarios (separadores ciclnicos, separadores primarios,secundarios, etc.) a fin de garantizar la correcta separacin de laspartculas de agua y slidos en suspensin de la corriente de vapor.

c) Proveer un reservorio con el fin de absorberlas variaciones del nvieldurante los transitorios.

d) Calentamiento del agua de alimentacin que ingresa.

e) Proveer el espacio fsico necesario en donde se pueda mezclar elagua de caldera con productos qumicos.

Figura V.B Caldera Acuotubular


23/251

f) Proveer el espacio fsico necesario en donde se pueda efectuar elpurgado del agua de caldera.

g) Vinculo de anclaje mecnico para todos los tubos que ingresan a l.

V. 3. 1. 1 Factores que inf luyen en el nivel del domo

En toda caldera que se encuentre operando, resulta casi obvioque la cantidad de agua que en l ingrese, se deba equilibrar con lacantidad de vapor producido, sumando a este ltimo, las purgas. Esteestado de equilibrio tiene como parmetro indicativo al nivel del domo,el cual debe mantenerse en todo momento dentro de una estrechafranja.

Si el nivel del domo baja por debajo del nivel de los tubos, estosltimos no sern refrigerados correctamente y en consecuencia

aumentara rpidamente su temperatura, originndose probablementela rotura de los mismos.

Por el contrario, si este nivel sube demasiado, restara lugarpara que el vapor se separe satisfactoriamente del agua, resultandoen el arrastre de agua y slidos al sobrecalentador y/o equipos.

En el estado de equilibrio es obvio que la masa de agua queingresa en el domo se iguala a aquella masa de vapor que sale de l,

mantenindose de esta manera un nivel constante. Esto se cumpleslo en los estados de equilibrio entre demanda y produccin de lacaldera.

Pero debido a las variaciones en la demanda y con el fin dealcanzar un nuevo estado de equilibrio, se deber efectuar unavariacin de la carga de combustin. Como es de esperarse, esteacomodamiento a un nuevo punto de equilibrio no tiene lugarinstantneamente, sino que existe una demora que depende funda-mentalmente y entre otras cosas de la inercia trmica de la caldera, lamagnitud de dicha variacin y de la respuesta del sistema de controlde combustin.

Esta demora resultante es la principal causante de las variacio-nes de nivel en el domo. Estas variaciones pueden minimizarse

implementando controles de nivel que contemplen dichas perturba-ciones.


24/251

Existe otra perturbacin que se le suma a la anterior, es lo quellamamos el fenmeno del falso nivel e incide de manera negativasobre el comportamiento del nivel. Aqu nuevamente es la variacin enla demanda la que origina dicho fenmeno.

Si tomamos por ejemplo una caldera acuotubular que es

sometida a un aumento de su demanda, veremos que como resultado

. de la imposibilidad de responder inmediatamente, la presin del domodisminuye. Esto se debe a que se est consumiendo, durante aqueltransitorio, ms vapor de lo que se produce. Por lo tanto, es vlidoconsiderar a la presin del domo la del colector de vapor comoindicador indirecto de la demanda del estado de carga de lacaldera.

Esta disminucin en la presin del domo trae aparejado que las

condiciones operativas dentro de la caldera cambien hasta alcanzar unnuevo estado de saturacin. Tanto el agua como las burbujas de vapordentro del domo y tubos, que se encontraban en su estado desaturacin antes del desequilibrio, sufren aumentos en su volumenespecfico. Debido a esto, la masa de agua en estado de saturacinlibera, sin el agregado de aporte trmico alguno, burbujas de vapor,(efecto flash), hasta alcanzar un nuevo estado de saturacin y por otrolado las dimensiones de las burbujas de vapor existentes aumentan detamao.

El resultado de estos fenmenos se traduce en el desplaza-miento de mayor masa de agua, aumentando en consecuencia elvolumen de la mezcla agua/vapor, arrojando como resultado unaumento de la cota real de nivel.

Pero es lgico pensar que un aumento en la demanda devapor debera ir acompaado de una disminucin real del nivel dedomo. Pero debido al efecto del falso nivel es probable que un sistema

de control de nivel que no contemple de antemano estos fenmenos,detecte un nivel correcto o lo que es peor an, un nivel alto, tomandolas acciones correctivas inversas a lo que debera tomar, ya querestringira la vlvula de alimentacin de agua cuando lo que enrealidad se necesita es un aumento de esta ltima.

Exactamente lo inverso sucede cuando se produce una dismi-nucin en la demanda de vapor, pudiendo aplicarse el mismo criteriode anlisis que en el caso de un aumento en la demanda.


25/251

V. 3.2 Haz convectivo

El haz convectivo es el sector en donde se lleva a cabo granparte de la transformacin de agua en vapor. Esto implica que latemperatura de la mezcla agua/vapor que circula dentro de sus tubos,es la correspondiente a la de saturacin a la presin del domo. En esta

seccin, la forma de transferencia de calor que predomina es laconveccin, pues los gases transfieren su calor progresivamente 'porconveccin en la medida que atraviesan las sucesivas filas de tubos.

Para aquellas calderas provistas de sobrecalentador, es comnque este ltimo se encuentre protegido por una pantalla de tubosperteneciente al haz convectivo. Esta pantalla protege alsobrecalentador de las altas temperaturas de metal como as tambindel ensuciamiento.

Figura V.C Comportamiento de la temperatura del vapor en funcin del estado decarga de la caldera.


26/251

V. 3.3 Hogar

El medio de transferencia de calor que caracteriza a este sectores, sin lugar a dudas, la radiacin. Este recinto se caracteriza por elhecho de tener la mayor superficie expuesta posible a la radiacinluminosa.

Es netamente un recinto delimitado por paredes, techo y piso deagua. Estas ltimas estn compuestas por tubos unidos entre s poruna membrana metlica, ms conocidos como paredes membrana oparedes de agua. En ellas, a igual que en el haz convectivo, es endonde se produce el cambio de estado agua en vapor, o sea que latemperatura de la mezcla que circula dentro de stos, es lacorrespondiente a la de saturacin a la presin del domo.

Las tres funciones ms importantes que tiene un hogar desdeel punto de vista de la combustin son:

a) Proveer el espacio necesario para acomodar la llama, sin que statoque los tubos. De no evitar esto, se corre el riesgo de la extincinanticipada de los extremos de la llama que entran en contacto con lostubos, ya que estos ltimos estn a mucho menor temperatura que lallama. Este fenmeno se exterioriza mediante la emisin de humos,producto de una combustin incompleta.

b) Mantener la temperatura de la llama y de los gases lo ms altaposible durante el tiempo necesario con la finalidad de que lacombustin se complete sin humos cenizas.

c) Proveer un recinto hermtico que evite las fugas de gases (hogarpresurizado) entrada de aire ajeno a la combustin (hogar sub-presurizado).

V. 3.4 Sobrecalentador

La funcin del sobrecalentador es la de elevar la temperatura devapor por encima de la de saturacin a la presin de domo. Existenvarios motivos para realizar esto:

a) Una ventaja se debe a la ganancia termodinmica que implica

trabajar con un fluido con mayor entalpa. Dicha ganancia atribuible alaumento de entalpa es de aproximadamente un 3 % por cada 50C


27/251

de sobrecalentado, dependiendo esto ltimo de la presin y de latemperatura.

b) Si el vapor ha de ser utilizado para alimentacin de mquinasrotantes, es indispensable asegurar el secado total de este antes deingresar a la turbina. Adems, el vapor sobrecalentado posee mucho

menor tendencia a condensarse en las ltimas etapas de la turbina queutilizando vapor saturado.

Los sobrecalentadores pueden clasificarse en dos grandesgrupos que dependen de las ubicaciones de estos dentro de la calderay de cmo estn diseados. Estos grupos se pueden clasificar en:convectivos, radiantes o la combinacin de ambos. Es importanteesta clasificacin, pues el comportamiento de la temperatura del vaporen funcin del estado de carga de la caldera, es sustancialmentediferente. (Ver Fig. V. C).

V. 3. 4.1 Sobrecalentadores convectivos

Estos sobrecalentadores estn ubicados dentro de la zonaconvectiva de la caldera y en consecuencia no estn expuestos a laradiacin directa.

Se caracterizan por estar compuestos por varias filas deserpentinas una detrs de la otra, de manera tal que los gases

transfieran su calor progresivamente a medida que pasan a travs de

ellas. En este tipo de seccin, la temperatura del vapor aumenta amedida que el estado de carga lo hace. Este fenmeno se debe engran parte a que el flujo msico de gases aumenta con mayorintensidad que el flujo msico del vapor que circula dentro de los tubosy por otro lado existe una mejora en los coeficientes de transferenciade calor, debido a los aumentos de estos flujos.

V. 3. 4. 2 Sobrecalentadores radiantes

Estos sobrecalentadores estn ubicados en el hogar, demanera tal que estn expuestos directamente a la radiacin. Secaracterizan por estar compuestos de una serpentina totalmente plana,cuya superficie est expuesta a la radiacin luminosa. En este tipo desobrecalentador, la temperatura del vapor disminuye a medidaque aumenta el estado de carga de la caldera.


28/251

Esto ltimo se debe al aumento del ndice de absorcin de lasparedes de agua del hogar a medida que la carga de la calderaaumenta, dejando cada vez menos calor disponible para este tipo desobrecalentador.

V. 3. 4. 3 Sobrecalentadores radiantes/convectivos

Estos sobrecalentadores utilizan la combinacin de ambos tiposde superficie, (radiantes y convectivas), por lo que la curvacaracterstica temperatura de vapor versus estado de carga resultante,es en realidad una composicin de sus respectivas curvas. Laparticularidad de esta superficie es la de mantener la temperatura delvapor prcticamente constante a travs de un amplio rango de cargade la caldera. Esto reduce y en algunos casos elimina la necesidad deatemperacin, facilitando de este modo el control de la temperatura.

V. 3. 4. 4 Factores que influyen en la temperatura de vaporsobrecalentado

Una regulacin precisa en la temperatura del vaporsobrecalentado a la salida de la caldera es fundamental. Estatemperatura tiende a variar debido a cambios en las condiciones deoperacin tales como: exceso de aire, temperatura de agua dealimentacin, tipo de combustible y ensuciamiento de las superfi-cies de calefaccin.

El exceso de aire provoca comportamientos muy diferentes,dependiendo si el sobrecalentador es radiante, convectivo combi-nacin de ambos.

En un sobrecalentador convectivo, un aumento en la masa deaire provoca un aumento en la temperatura del vapor. Esto se debe aque el aumento del flujo msico de gases a travs de la superficieconvectiva mejora por un lado la conductividad de la pelcula lado

gases y por el otro aumenta la cantidad de calor absorbido, ya queeste ltimo es proporcional al flujo msico de gases.

En las superficies radiantes sucede lo contrario, o sea que elaumento en la masa de aire provoca un descenso de la temperaturadel vapor. Esto se debe a que la masa de aire excedente enfra losgases del hogar, reduciendo de esta manera a la cuarta potencia elcalor irradiado por la llama y por consiguiente el absorbido por este tipode sobrecalentador.


29/251

Las variaciones en la temperatura del agua de alimentacinproducen cambios en la temperatura del vapor sobrecalentado. Unaumento en la temperatura del agua de alimentacin implica unamejora de su entalpa y por lo tanto una disminucin real del consumode combustible resultando en consecuencia la inyeccin de menorcantidad de aire. Esto ltimo trae aparejado una disminucin de la

masa de gases y en consecuencia se cumple de forma similar loexpuesto ms arriba.

Los cambios en los tipos de combustib les afectan bastante ala temperatura del vapor sobrecalentado, ya que las caractersticas decada combustible, como por ejemplo: su poder calorfico, exceso deaire, contenido de humedad, poder radiante, ensuciamiento, etc.,varan entre ellos.

Los combustibles orgnicos lquidos, como por ejemplo el fueloil, al ser quemados en el hogar, emiten una radiacin luminosa muyintensa. En cambio, los combustibles gaseosos, como por ejemplo elgas natural, emiten poca luminosidad.

Figura V.D Atemperacin directa por contacto indirecto


30/251

La temperatura de gases a la entrada, por ejemplo de unsobrecalentador radiante convectivo quemando fuel oil, ser inferiorque si quemamos gas natural en las mismas condiciones. Esto sedebe a que las paredes de agua del hogar absorben gran parte delcalor por radiacin luminosa proveniente de la combustin del fuel oil,dejando poca carga trmica disponible para el sobrecalentador. Lo

contrario sucede con el gas natural. En resumen, la temperatura delvapor sobrecalentado disminuye cuando se quema combustibles conalto poder de emisin luminosa.

Por otro lado existe el hecho de que cada combustible tieneasociado un exceso de aire correspondiente y por lo tanto flujosmsicos de gases diferentes. En consecuencia, se cumple de manerasimilar lo expuesto ms arriba relativo a las variaciones de temperaturadel vapor producto de los cambios en el exceso de aire.

V. 3.5 Atemperacin

Cuando se disea un sobrecalentador, se deber tener encuenta si ha de trabajar a diferentes estados de carga y/o si ha dequemar diferentes combustibles.

Tomemos por ejemplo el caso de una caldera, provista de unsobrecalentador del tipo radiante/convectivo; que ha de trabajarquemando fuel oil gas natural, (ver Fig. V. C), con estados de carga

que parten desde el 25% del estado de carga de diseo y cuyatemperatura de vapor sobrecalentado deba mantenerse constante entodo momento e igual al valor deseado. La superficie delsobrecalentador se disear basndose en los parmetros de menorperformance posible o sea trabajando al 25% del estado de carga y almismo tiempo quemando fuel oil. En este rgimen se pretende que latemperatura del vapor sobrecalentado sea la solicitada.

Se hace evidente que 'la cantidad de superficie instalada se

encuentra muy por encima de la necesaria, ya que en cuanto comiencea aumentar el estado de carga, comenzar a aumentar la temperaturadel vapor por sobre la deseada. Por otro lado, si quemamos gasnatural en vez de fuel oil, llegaremos a obtener temperaturasprobablemente demasiado altas para el propio diseo de los materialesde los tubos del sobrecalentador en su defecto para equipos aguasabajo del mismo. Aqu es donde tiene lugar la atemperacin, quebsicamente consta de un sistema cuya finalidad es la de bajar latemperatura del vapor hasta los valores deseados.


31/251

Existen varias mtodos que permiten lograr estos la atem-peracin indirecta directa.

V. 3. 5. 1 Atemperacin indirecta

La atemperacin indirecta del vapor sobrecalentado se basa enproducir modificaciones de las condiciones lado gases. Una maneraes: modificar la orientacin de los quemadores, que en otras palabrasimplica una mayor menor incidencia de la radiacin luminosa sobre elsobrecalentador. El mismo efecto se obtiene apagando algunosquemadores.

Otra forma de reducir la temperatura del vapor es aumentando elaire primario o sea el exceso de aire en la combustin diluyendo conaire secundario lo que provoca un enfriamiento de estos. Estosmtodos no son aconsejables pues atentan contra la eficiencia de la

unidad, ya que gran parte del calor se transfiere al aire en exceso y nocumple ningn papel en la combustin.

Figura V.E Atemperacin directa por inyeccin de agua.


32/251

Otros mtodos contemplan tanto el uso de dampers by-pass quedesvan parcialmente los gases, como as tambin la utilizacin detcnicas con recirculacin de gases calientes. Estos ltimos dosmtodos son los ms aconsejables desde el punto de vista delrendimiento de la unidad, pero poseen el inconveniente del gran costodel equipamiento asociado.

V.3.5.2 Atemperacin directa

Este mtodo se basa en la disminucin de la temperatura delvapor sobrecalentado por medio del intercambio trmico porcontactodirecto o indirecto del vapor con otro fluido de menor temperatura.

Uno de los mtodos utilizados de contacto indirecto, Fig. V. D,se basa en el intercambio indirecto de calor proveniente de una parte

del vapor sobrecalentado con el agua de domo. Este mtodo contem-pla el uso de una vlvula de tres vas que desva parte del vapor delsobrecalentador, proveniente de una primera etapa delsobrecalentador, hacia una serpentina sumergida dentro del domo.Una vez enfriada, dicha masa es nuevamente mezclada con lacorriente de vapor principal. Este mtodo posee menor velocidad derespuesta que el de inyeccin directa de agua.

El mtodo universalmente de mayor utilizacin se basa en lainyeccin directa de agua dentro de la corriente de vaporsobrecalentado, Fig. V. E. Este circuito se caracteriza por contar conuna rpida respuesta ante las variaciones de temperatura. Por otrolado, la desventaja de este mtodo radica en la necesidad imperiosade inyectar agua con una pureza tal que no contamine al vaporsobrecalentado entre dos etapas sucesivas de sobrecalentamiento. Atal fin, el sistema generalmente contempla la incorporacin de uncondensador de casco y tubos y una bomba que eleva la presin delcondensado de vapor saturado proveniente del domo de modo tal queste pueda ser utilizado para la inyeccin.

V. 5.6 Quemadores

El quemador es el principal componente del circuito de com-bustin para calderas que queman combustibles lquidos y/o gaseososy en casos muy particulares combustibles slidos. Sus funciones msimportantes contemplan las siguientes:


33/251

a) Mezclado del aire con el combustible.

No debemos confundir al aire que se mezcla con el combustible dentroo en el quemador, con el que ingresa al hogar a travs de otrospasajes y que no interviene en la combustin. Al primero se lodenomina aire primario y es aquel que interviene directamente en la

combustin; en cambi el otro se denomina aire secundario y slo sediluye con los gases de combustin, enfriando los mismos.

b) Atomizado del combustible lquido.

Figura V.F Concentracin de slidos totales en el vapor.


34/251

C) Proveer una ignicin continua de la mezcla aire/combustible

Las caractersticas ms significativas que definen a un quemadorson:

V. 3. 6. 1 Turndown ratio

El turndown ratio de un quemador es la relacin del mximorespecto al mnimo estado de carga, a travs del cual la combustin seconsidera satisfactoria. Esta caracterstica debe ir acompaada de lasdiferentes relaciones aire/combustible correspondientes a los distintosestados de carga. A medida que la carga disminuye, la propiedaddel mezclado del aire/combustible se degrada, necesitndose enconsecuencia una mayor proporcin de aire de manera tal deasegurar una combustin completa.

La carga mxima de un quemador est limitada por lasdimensiones fsicas del mismo y por el fenmeno que se conoce comoblow-offde la llama, que es el punto a partir del cual la llama se vuela.El fenmeno blow-off se produce cuando la velocidad de le mezclaaire/combustible excede la velocidad de propagacin de le llama.

A su vez, el punto de mnimo estado de carga de un quemadorse caracteriza por el fenmeno que se conoce corno flash-back de lallama, que es el punto en donde la llama tiende a interrumpirse. El

fenmeno flash-back se produce cuando la velocidad de la mezclaaire/combustible es menor a la velocidad de propagacin de la llama.

Generalmente es deseable contar con quemadores con altasrelaciones de turndown, a fin de poder trabajar con la caldera a bajoestado de carga y con todos los quemadores en servicio, sin tener queverse obligado a realizar maniobras de apagado progresivo de losmismos.

V. 3. 6. 2 Estabi lidad

Un quemador se considera estable cuando es capaz demantener por s mismo la combustin, con relaciones normales deaire/combustible, an con el hogar fro y sin el auxilio de una llamapiloto.


35/251

V. 3. 6. 3 Forma de la llama

Otra caracterstica de diseo que diferencia a los quemadoresentre s es la forma geomtrica segn la cual se desarrolla la llama. Suforma bsicamente se puede asemejar a la de un cono cuyo dimetroaumenta a medida que la llama se aleja del quemador. La longitud deeste cono es de vital importancia, pues esta no debe tocar a la serie detubos enfrentados a l. A su vez, su dimetro debe ser tal que no toquea los tubos pertenecientes a las paredes laterales, piso o techo. '

Los factores que afectan dicha forma bsicamente dependen deldiseo del quemador, pero pueden variar tanto debido a variaciones enla presin del combustible como en la presin de atomizacin.

V. 3. 6. 4 Atomizacin

Con el fin de obtener una mezcla ntima entre el aire decombustin y el combustible de manera de asegurar una combustincompleta y rpida, se hace necesario fragmentar al combustible enpequeas partculas de manera tal que exponga la mayor superficie decontacto posible con el aire. La atomizacin es un trabajo mecnicoque exige energa, no slo para vencer el efecto de la tensinsuperficial, sino para comunicar al combustible una energa cintica tal

que proyecte a estas partculas dentro de la cmara de combustin.

Los combustibles gaseosos no necesitan atomizarse por en-contrarse ya en aquel estado. Pero s los combustibles lquidos comopor ejemplo el fuel oil, diesel oil, gas oil, etc. Existen dos formas deefectuar dicha atomizacin: asistida por vapor (o aire) y por mediosmecnicos.

La atomizacin asistida por vapor o aire, es el mtodo mseficiente ya que produce emulsiones de vapor-combustible (o aire-combustible), las cuales al ingresar al hogar producen una rpidafragmentacin del combustible, esto ltimo debido a la violentaexpansin del vapor (o del aire) dentro del hogar. El vapor (o aire)utilizado para esto, debe estar seco, pues la humedad causapulsaciones en la llama, motivo por el cual puede tender a extinguirse.La mezcla se realiza en unas pastillas especiales que se encuentranen la punta del quemador.


36/251

En cambio, la atomizacin mecnica utiliza la misma presin delcombustible que al pasar por unos orificios ubicados en el quemadorproduce un spray fino en forma de cono. La presin de bombeorequerida para este mtodo es muy superior a la requerida por el

mtodo asistido por vapor (o aire). La atomizacin se realiza en unaspastillas que se encuentran en la punta del quemador.

Otra forma de atomizacin de combustibles lquidos, es me-diante el uso de quemadores de copa rotativa. La copa o vaso tieneuna alimentacin central de combustible y gira sobre su eje a altavelocidad. El fluido aumenta su velocidad axial a medida que avanzahacia el borde de la copa llegando a este borde como una delgadacapa. El combustible sale de la copa formando una delgada membranalquida en forma de paraboloide de revolucin que es sometida alsoplado de un ventilador axial rompindose en hilos que toman laforma de gotas por efecto de la tensin superficial.

V.3.7 Acondicionamiento del agua de alimentacin

V.3.7.1 Generalidades

La vida til de una caldera y sus auxiliares, est estrechamenterelacionada con el correcto acondicionamiento del agua. El agua de

alimentacin de caldera generalmente contiene slidos disueltos o ensuspensin en mayor o menor grado, dependiendo de los tratamientosprevios a los cuales fuera sometido. El vapor generado, producto deeste agua y antes de abandonar al domo, es sometido a una serie deseparadores cuya finalidad es la de separar estos compuestos,obteniendo finalmente vapor prcticamente puro. Estos slidos, quehan sido dejados atrs, nuevamente se mezclan con el agua del domoaumentando cada vez ms su concentracin. Si esta excede los lmitesde solubilidad se producir su precipitacin. Esta es comnmente

cristalina por naturaleza y posee la particularidad de fijarse en forma decscara a las superficies metlicas de las paredes de los tubos.

Qumicamente, estas cscaras consisten en compuestos inso-lubles de calcio y magnesio, presentndose algunas veces cementadodentro de una masa muy dura de xidos de silicio. Bajo condicionesseveras de presin y temperatura, stas pueden estar constituidas totalo parcialmente de complejos silicatos y xidos de hierro o cobre. Elaumento en la presin o la temperatura aceleran drsticamente la

formacin de estas.


37/251


38/251

b) Tratamiento dentro del domo.

Mediante la inyeccin de productos qumicos al mismo se lograla precipitacin de los compuestos de calcio y magnesio de tal maneraque formen barros o se mantengan en solucin pudiendo serfcilmente extrados mediante las purgas,

c) Purga continua

Por ltimo, mediante la extraccin continua de una determinadaproporcin de agua de domo, se lora reducir la concentracin deslidos en este medio. La cantidad de agua de la purga continua puedeinferirse y controlarse automticamente mediante la medicin de laconductividad de agua en el domo (medida en ppm), controlando de

este modo la cantidad de agua a purgar mediante el uso de unavlvula de control.

V. 3. 7. 2 Factores que afectan la corrosin de los tubos

La corrosin dentro del circuito lado agua de una caldera ocurresi estn presentes algunas de estas condiciones:

a) Cuando le alcalinidad del agua se encuentre muy baja (entre 5 y 7pH). Este ataque se caracteriza por la perdida d material en una ampliazona. Se combate neutralizando dicha acidez,

b) Cuando existe, dentro del agua de caldera, la presencia de oxgenodisuelto, dixido de carbono o algn otro gas corrosivo. Este ataque secaracteriza por la perdida de material, que se exterioriza como un grannmero de pequeos pozos. Se combate eliminando los gasesdisueltos mediante el uso de desaereadores y con el auxilio de agentesqumicos.


39/251

Captulo VI

Combustin

VI. I Fundamentos bsicos de la combust in

Bsicamente se define como combustin al proceso de quemadode un determinado combustible. Desde el punto de vista qumico serefiere a la reaccin qumica de la oxidacin de un combustible enpresencia de oxgeno, resultando de sta una fuerte liberacin de calory en la gran mayora de los casos radiacin luminosa. Esta reaccin seauto-sustenta a partir de cierta temperatura.

Para que d comienzo una combustin se le deber suministrara la mezcla aire-combustible energa proveniente de una fuente

externa, de manera tal que eleve la temperatura en algn punto de sumasa por encima de un determinado valor. A este valor se lo denominatemperatura de inflamacin.

Una vez iniciado el proceso de combustin, ste se propagarde una molcula a otra, generando por s solo (en condicionesnormales) la energa necesaria para elevar el resto de su masa a latemperatura de inflamacin, sin la necesidad de aportes energticosexternos. Este proceso prevalecer mientras el calor proveniente de la

reaccin sea mayor que el cedido al medio que lo rodea.

La mayora de los combustibles utilizados en la industria, estncompuestos fundamentalmente por carbn, hidrgeno y pequeascantidades de azufre. Como resultado de la combustin de estos treselementos bsicos se obtienen las siguientes reacciones:

carbn (C) + oxgeno (02) dixido de carbono (COZ) + calorhidrgeno (H) + oxgeno (02) vapor de agua (H20) + calor

azufre (S) + oxgeno (02) dixido de azufre (SO2) + calor

Cuando la combustin se realiza en laboratorio utilizandoproporciones exactas de mezcla combustible/oxgeno, obtenemoscomo productos de la combustin solamente dixido de carbono, vaporde agua y dixido de azufre (si hay azufre presente). En este tipo deensayo de laboratorio se obtiene lo que llamaremos: combustinperfecta o estequiomtrica.


40/251


41/251


42/251

Existen quemadores especialmente diseados para quemarcarbn finamente pulverizado en suspensin con aire, pero para ello sedebe previamente preparar el combustible, pulverizndolo exter-namente con maquinaria pesada.

En la generalidad de las aplicaciones se queman fragmentos

pequeos. Estos se arrojan mediante el uso de esparcidores o cintastransportadoras sobre el piso del hogar "grilla" sobre el cual seproduce la combustin. En estos casos se le inyecta aire primariodesde la parte inferior del piso y aire secundario a presin desde loslaterales del hogar. En este tipo de calderas encontraremos diferentesclases de mecanismos que posibilitan eliminar en forma manual oautomticamente, las cenizas que se depositan sobre la grilla.

Otro mtodo consiste en utilizar hogares ciclnicos, en loscuales se inyectan de forma tangencial los fragmentos de combustibleen suspensin con aire, aprovechando de esta forma la caractersticainherente del movimiento en tirabuzn, lo que retarda el quemado dedicho combustible.

Figura VI.A Incidencia del exceso de aire sobre el rendimiento y las condiciones deseguridad en una caldera.


43/251

VI. 3 Aire atmosfrico

El oxgeno requerido para la combustin proviene del aireatmosfrico que est compuesto por una mezcla de oxgeno, nitrgenoy pequeas proporciones de dixido de carbono, vapor de agua, argny otros gases inertes. Desde el punto de vista de la combustin, el aire

seco est compuesto en peso por 23.15% de oxgeno (02) y 76.85 %de nitrgeno (N2). Como resultado de esto y para proveer a lacombustin de 1 Kg de oxgeno, tendremos que suministrar 4.32 Kg deaire seco de los cuales 3.32 Kg corresponden al nitrgeno y gasesinertes.

El nitrgeno prcticamente no interviene en la reaccin decombustin, pero posee mucho peso respecto a la eficiencia de lacaldera. Sucede que parte del calor proveniente de la combustin es

utilizado para calentar al nitrgeno, que se escapar por la chimenea ala misma temperatura que el resto de los gases de combustin sinaporte energtico alguno. Esto ltimo se traduce en menores tempe-raturas de llama, si es comparado con las temperaturas de llama quese obtendran utilizando oxgeno puro.

Se denomina aire terico a la cantidad de aire a suministrar demanera tal de obtener una combustin perfecta. Cabe mencionar queexiste un valor de aire terico distinto para cada combustible, quedepender de la composicin qumica del mismo.

VI. 4 Exceso de aire

La combustin en equipos reales ocurre en tiempo y volmeneslimitados. Si se pretende que la combustin sea completa (combustinperfecta), hemos de tener en cuenta que cada molcula decombustible se combine con su correspondiente de aire. Es obvio queesto no puede realizarse dentro de un equipo trmico real. Pero si a lasmolculas de combustible le ofrecemos un excedente en aire,

aumentaremos la probabilidad de que se combinen todas las mol-culas de dicho combustible. Tambin se hace evidente que esteexcedente de aire no formar parte de la reaccin. A esta cantidad deaire por encima de la terica se la denomina exceso de aire.

Asimismo este exceso, a pesar de atentar contra el rendimiento de lacaldera, es de vital importancia en lo que a seguridad se refiere. Sehace indispensable contar con un aumento de ste durante losperodos transitorios debido a variaciones del estado de carga. Como

se desprende de la Fig.Vl. A, estaremos en presencia de una mezcla


44/251

peligrosa dentro del hogar si en algn momento se baja del 0% deexceso de aire.

VI. 5 Exceso de aire vs. monxido de carbono

De lo expuesto arriba parece obvio que se debera limitar al

mnimo el exceso de aire, pero al disminuir ste, comenzar aaparecer monxido de carbono (CO), ndice de una combustinincompleta.

Adems del aspecto contaminante del CO, est la relacin con elrendimiento de la combustin, pues el calor liberado por la reaccin:2C + 02 2CO, representa slo la tercera parte del que se podraobtener si todo el carbono se hubiese convertido en CO2. Pero en laprctica no es tcnicamente posible operar un quemador con 0% deCO en los gases de combustin.

Por ejemplo quemando gas natural, los niveles de CO pueden

Figura VI.B Temperatura de los gases de combustin vs. % de azufre.

en algunos casos reducirse hasta alrededor de 0.004% en peso,


45/251

dependiendo del exceso de aire, de la configuracin del quemador ydel tamao del hogar, pero este valor nunca llega a ser cero. Lasrelaciones pueden resumirse en dos:

a) A menor exceso de aire, mayor produccin de CO y viceversa.

b) A mayor volumen de hogar (mayor distancia entre llama y tubos deagua), menor produccin de CO y viceversa.

Como se puede apreciar, los requisitos de bajo 02 (bajo excesode aire) y bajo CO son objetivos contradictorios. Se puede tener uno oel otro, pero no ambos al mismo tiempo.

VI. 6 Exceso de aire vs. xidos de nitrgeno

En la carrera por obtener los mximos rendimientos posibles de

una caldera, se han introducido modificaciones en el diseo del hogary de sus quemadores, de manera tal que trabajaran con excesos deaire muy reducidos, logrando consecuentemente altas temperaturas dellama. Pero a estas temperaturas, el oxgeno excedente se combinacon el nitrgeno proveniente del aire y/o del combustible dando lugar ala formacin de grandes cantidades de monxido de nitrgeno (NO).La oxidacin del monxido de nitrgeno (NO) a dixido de nitrgeno(NO2), slo representa al 10% del total de NOX producido y tiene lugaren la atmsfera debido a la influencia de la radiacin solar. Ambos son

considerados contaminantes ambientales. Las altas temperaturas delos gases cumplen el papel de catalizador de dicha reaccin. Laformacin del NO tiene lugar a altos estados de carga, cuando sepresentan dos condiciones simultneamente: alta temperatura yexceso de aire.

Los mtodos de reduccin de NOX se basan fundamentalmenteen controlar la combustin de tal manera que estas dos ltimascondiciones no se presenten simultneamente. Existen varios mtodos

relacionados con la reduccin del NOX, algunos involucran tcnicas dequemado en etapas, nuevos diseos de conjunto hogar/ quemadores,aumento en la superficie del hogar, etc.

A continuacin mencionaremos dos de los mtodos msutilizados:

a) La formacin del NOx puede reducirse por medio del pasaje de airesecundario al hogar, disminuyendo la temperatura de los gases a lasalida del quemador.


46/251

Esta solucin, obviamente, trae consigo una disminucin en elrendimiento de la caldera, debido al calor que se lleva dicha masa deaire secundario.

b) Otra forma de resolver dicho problema consiste en hacer recirculargases de salida de caldera, mezclndolos con el aire a quemadores.

Este mtodo desde el punto de vista del rendimiento es notablementemejor que el anterior, pero involucra mayor costo de equipamiento ycontrol.

VI. 7 Poder calorfico superior e inferior

La cantidad de calor neto generado producto de una combustincompleta para un combustible determinado es constante y se lodenomina poder calorfico. Se lo puede determinar en laboratoriodirectamente mediante la medicin del calor generado con el auxilio deun calormetro o estimarlo matemticamente mediante el anlisisqumico de la composicin de dicho combustible. Est expresada enKcal/Kg para combustibles slidos y lquidos o en Kcal/Nm

3para

combustibles gaseosos.

Como fuera mencionado anteriormente, como producto de lacombustin del compuesto hidrgeno se obtiene calor y vapor de agua.Este vapor de agua contiene un calor latente de vaporizacin, que seaprovechar slo si puede ser intercambiado con el proceso antes de

evacuarse a la atmsfera. Para esto deberamos enfriar los productosde la combustin prcticamente hasta la temperatura de condensacindel vapor de agua a la presin atmosfrica, con el fin de que estevapor se condense, devolviendo de esta forma su carga trmica alproceso.

Al calor de la combustin que libera un determinado combustibleque tiene en cuenta al calor latente de vaporizacin, se lo denominaPoder Calorfico Superior.

En realidad, los productos de la combustin nunca se enfranhasta la temperatura de condensacin del vapor de agua, sino por locontrario, se procura evitar toda condensacin debido a las propieda-des corrosivas de la combinacin del H2O, SO2 y SO3 productos de losgases de combustin, ver Fig. VI. B.


47/251

Estos al combinarse forman cido sulfrico (H2SO4), que sedeposita sobre las superficies de los equipos provocando la corrosinde stos. A esta temperatura lmite de condensacin del vapor de aguala llamaremos temperatura de roco. Al calor de la combustin quelibera un determinado combustible que no tiene en cuenta dicho calorlatente de vaporizacin se lo denomina Poder Calorfico Inferior.


48/251

Captulo VII

Eficiencia de una caldera

VII. 1 Definicin de rendimiento de una caldera

La definicin ms sencilla de rendimiento trmico es:

Calor Transf. Agua y vapor

Rendimiento Trmico = ------------------------------------------------

Calor til del combustible

El calor transferido al agua y al vapor es igual al producto del

caudal de vapor generado por la diferencia entre la entalpa del vaporque se genera y la del agua que ingresa.

El calor til del combustible es igual al producto del podercalorfico inferior por el gasto de combustible.

VII. 2 Factores principales que influyen en elrendimiento

Existen algunos parmetros indicativos que tienen relacindirecta con la eficiencia de una caldera: anlisis de los gasesproducto de la combustin y la temperatura de salida de gases dechimenea.

Las perdidas importantes son:

a) Prdidas por gases secos. (~5%)

b) Prdidas por sobrecalentamiento del vapor de agua en los

gases. (~1%).

c) Prdidas por combustin incompleta. (~0%)

d) Prdidas por conveccin y radiacin. (~O.5%)

Los valores entre parntesis corresponden a perdidas en base alpoder calorfico inferior, tomados de una caldera acuotubular con


49/251

calentador de aire, de 120 T/h, 35 Kg/cm2, 400C, quemando gas

natural a mxima carga continua.

VII. 3 Anlisis de los gases de salida de chimenea

Las prdidas ms grandes sin lugar a dudas son las correspon-

dientes a los gases secos que se evacuan por la chimenea. Estosgases an contienen una importante carga trmica que no ha de seraprovechada.

VII.3.i Estudio de la composicin qumica de los gases decombustin

La composicin que surge del anlisis de los gases producto dela combustin se utiliza como indicador para evaluar la eficiencia de lacombustin, ver Fig.Vll. A. Por lo general slo se evalan

Figura VII.A Relacin entre los porcentajes de CO2 y O2 contenidos en los gases vs. Elporcentaje de exceso de aire.

aquellos compuestos que intervienen en el clculo de rendimiento,como ser CO2, CO, 02, N2.


50/251

Los porcentajes de CO2 y CO son parmetros que nos indican sise ha llevado a cabo la totalidad de la combustin; en cambio, losporcentajes de CO2 y 02 son indicadores del exceso de aire presenteen sta.

Estaremos en presencia de una combustin ptima cuando se

obtenga como resultado del anlisis en los gases de combustin, entodo momento y a travs de los distintos estados de carga, el mayorporcentaje posible de CO2, utilizando el menor exceso de aire (mnimo02), y con la aparicin de cantidades despreciables de CO. Esta regladeber predominar en la calibracin de un lazo de combustin.

VII. 3. 1. 1 Medicin de CO2

El CO2 es representativo del exceso de aire slo cuando sequema completamente un nico combustible cuya relacin carbono/

hidrgeno se mantiene constante yen cuyos gases de combustin noexista CO. En otras palabras, el CO2 medido no es representativo delexceso de aire para las siguientes condiciones:

a) En combustiones de combustibles de composicin variable.

b) Cuando se combinan ms de un combustible a la vez.

c) Cuando se est cerca de la combustin estequiomtrica, motivo por

el cual podemos tener mayor presencia de CO de lo normal, ver Fig.VII. A.

VII. 3. 1. 2 Medic in de 02

La medicin del 02 en los gases de combustin, es unaindicacin directa del exceso de aire. Entre la franja del 0 al 15% deexceso de aire, el %02 es independiente del tipo de combustible o delas variaciones en la composicin de los mismos, ver Fig. Vil. A. Sinembargo, esta medicin por s sola no puede inferir:

a) Mezclado deficiente de combustible/aire.

b) Condiciones deficientes en el hogar.

c) Combustin incompleta.


51/251


52/251

Una vez fijadas las condiciones ptimas de 02 con mnimo CO,stas pueden sufrir perturbaciones que seguramente restarn efi-ciencia a la combustin, como por ejemplo, variaciones en el podercalorfico del combustible, desgaste en las boquillas de losquemadores, cambios en el tamao de las partculas de los combus-tibles slidos, variaciones en los estados de carga, ensuciamiento del

quemador/hogar, etc.

Esta cada de eficiencia en la combustin traer aparejado, enlos gases de combustin, un aumento de CO, an con una presenciaconsiderable de exceso de 02. Esto ltimo nos indica que lamedicin de oxgeno por s sola no representa la calidad de lacombustin, sino que slo indica cul ha de ser la relacinaire/combustible correcta.

VII. 3. 1. 3 Medicin de CO

La medicin de CO no es representativa del exceso de aire,pero s es un excelente ndice de la calidad de la combustin. Sumedicin es ndice de:

a) Mezclado deficiente del combustible con el aire.

Figura VII.C Caracterizacin del caudal de aire para combustin vs. estadode carga de una caldera


53/251


54/251

VII. 3. 2 Temperatura de salida de gases de chimenea

La temperatura neta de los gases de chimenea resulta de ladiferencia entre la temperatura de salida de gases de chimenea y latemperatura ambiente.

Una temperatura neta alta de gases indica que se estdesaprovechando calor. Una buena prctica recomienda manteneresta temperatura lo mnimo posible sin llegar a la del roco del vapor deagua.

Temperaturas muy altas de gases de chimenea iguales osuperiores a 200C indican una de las siguientes condiciones:

a) Excesivo caudal de aire.

b) Excesivo ensuciamiento de las superficies de calefaccin.

c) Deficiente regulacin del aire.

d) Sub-dimensionamiento de las superficies de calefaccin.

e) Sub-dimensionamiento del volumen del hogar.

VII.3.3 Medicin de humos en gases de chimenea

La medicin de humos en la chimenea puede utilizarse paraestimar la limpieza de la combustin. Productos de combustin conmucho humo pueden indicar alguna de estas condiciones:

a) Deficiencia en el aire de combustin.

b) Deficiencia en la viscosidad del combustible.

c) Deficiencia en las presiones de suministro del combustible.

d) Deficiencia en la pastilla de atomizacin.

e) Relacin incorrecta aire-combustible. O Perdidas excesivas de airede combustin.


55/251

Captulo VIII

Lazos de control bsicos para calderas

VIII. i Introduccin/Simbologa

En este captulo haremos una breve introduccin del conceptode control de seguridad y encendido, de diferentes esquemas decontrol regulatorio para calderas, como as tambin de las caracters-ticas ms -importantes de cada uno de ellos. Estas se vernnuevamente y con mayor detalle en el segundo tomo titulado CalderasII, Control Avanzado.

La simbologa a utilizar ser ISA y una descripcin resumidapuede verse en la Fig. VIII. A.

Figura VIII.A Resumen de la simbologa ISA.


56/251


57/251


58/251


59/251

Estos lazos pueden ser:

a) Posicionales o Paralelos sin medicin:

Slo medicin de presin de vapor.

Se utilizan en calderas pequeas de un solo quemador, sin

medicin de aire o combustibles. Su ventaja fundamental es su bajocosto y su buena respuesta ante las variaciones de carga. La relacinaire/combustible es fija para un estado de carga determinado y por lotanto no es precisa. Esta relacin se ve afectada por variaciones depresin y temperatura en el colector de combustible y por lasvariaciones de presin en el hogar como as tambin atmosfricas ypor lo tanto stas afectarn a la presin de vapor. Los cambios decarga pueden dar como resultado mezclas ricas; en consecuencia, nose puede garantizar la seguridad durante los transitorios. Ver Fig. VIII.

C.

Figura VIII.D Lazos de control de temperatura de vapor sobrecalentado.


60/251

b) Paralelos con medicin y lmites cruzados:

Medicin de presin de vapor, caudal de combustible y aire.

Se utiliza en calderas pequeas y grandes con uno o msquemadores. La respuesta ante variaciones en la demanda no es tanrpida como en el sistema paralelo sin medicin. Se puede caracterizarla relacin aire/combustible a travs de todo el estado de carga, por lotanto esta relacin se mantiene precisa en todo momento. Estarelacin no se ve afectada por variaciones en la presin y temperaturaen el colector de combustible, por las variaciones de presin en elhogar o las atmosfricas y por lo tanto stas no afectarn a la presinde vapor. Los cambios de carga

Figura VIII.E Lazos de control de presin de hogar y de purga continua.

Fig. VIII. E - lazos de control de presion de hogar y de purga continua


61/251

nunca dan como resultado mezclas ricas, pues durante los transitoriosel combustible sigue al aire y en consecuencia se puede garantizarlaseguridad en todo momento. Si por algn motivo, ajeno al lazo decontrol, disminuye el caudal de aire, el combustible lo seguirreforzando la seguridad del sistema. Ver Fig. VIII. C.

VIII. 5 Lazos de control de temperatura de vaporEstos pueden ser de:

a) Un elemento:

Medicin de temperatura final de vapor.

Se utilizan generalmente en calderas pequeas sin atemperadorintermedio. Mantiene la temperatura final de vapor en el valor deseado.

No compensa por variaciones bruscas en la demanda. Se ve afectadopor variaciones en el caudal de aire, presiones en el colector de agua aatemperar. Ver Fig. VIII. D.

b) Dos elementos:

Medicin de temperaturas de vapor despus de atemperar yfinal.

Se utilizan generalmente en calderas pequeas y grandes conatemperador intermedio. Mantiene la temperatura final de vapor en elvalor deseado. Compensa por variaciones bruscas en la demanda. Seve afectado por variaciones en el caudal de aire, presiones en elcolector de agua a atemperar. Ver Fig. VIII. D.

c) Tres elementos:

Medicin de caudal de aire, temperaturas de vapor despus deatemperar y final.

Se utilizan generalmente en calderas pequeas y grandes conatemperador intermedio. Mantiene la temperatura final de vapor en elvalor deseado. Compensa por variaciones bruscas en la demanda. Nose ve afectado por variaciones en el caudal de aire, pero s en laspresiones en el colector de agua a atemperar. Ver Fig. VIII. D.


62/251

VIII. 6 Lazos de control de presin de hogar

Este tipo de lazo se aplica a calderas de tiro balanceado o seacon presin sub-atmosfrica en el hogar. Si bien existen muchos tipos

de lazos que mejoran al de un elemento, en este tomo slo veremosste.

Un elemento:

Medicin de presin en el hogar.

Su principal funcin es la de mantener esta presin dentro derangos estrechos. Se ve afectado por las pulsaciones debido en partepor la propia combustin y otro tanto por la operacin de los

ventiladores. Tambin lo afecta las variaciones de caudal de aireproducto de los cambios realizados por el controlador de aireperteneciente al lazo de combustin. Ver Fig. VIII. E.

Estos fenmenos pueden eliminarse implementando estrategiasde control ms complejas.

VIII. 7 Lazos de control de purga continua

Su principal funcin es la de mantener la concentracin deslidos disueltos en el domo dentro de rangos estrechos. Si bienexisten muchos tipos de lazos que mejoran al de un elemento, en estetomo slo veremos ste.

Un elemento:

Medicin de conductividad de agua de domo.

Generalmente, con este tipo de estrategia alcanza para asegurar

un correcto control, ya que las variaciones de la conductividad suelenser lentas. Ver Fig. VIII. E.

No obstante, en aplicaciones crticas se suele incluir en el lazo,compensacin por caudal de vapor.


63/251


64/251


65/251

"Es indispensable el control de calderas...,

La tremenda evolucin en el diseo de las calderas que parte desde laspequeas calderas paquete con producciones de vapor que van desdeunos pocos miles de Kg/h, culminando en las centrales trmicas convarios millones de Kg/h, se debe en gran medida al continuo desarrollode controles precisos y seguros. Sin stos, la generacin eficiente ysegura del vapor sera prcticamente imposible. Esto ltimo darespuesta a la pregunta que lleva como ttulo a esta seccin.El continuo reclamo de incrementos en las eficiencias operativas, lasexigencias en la reduccin de los costos de la produccin, lascondiciones reinantes de mercado y las condiciones ambientales, sonalgunos de los principales factores que deben impulsar a losresponsables de planta a estudiar nuevas alternativas tcnicoeconmicas que permitan saciar estas expectativas. Esta problemticase resuelve mediante una mejora en los equipos trmicos existentes,implementacin de nuevos ciclos trmicos, o la bsqueda de fuentesenergticas alternativas. Lo cierto es que una vez resuelto el arreglodefinitivo del ciclo trmico y evaluada la performance de ste, se deberdesarrollar a continuacin las estrategias de control regulatorio quepermitan que todas las variables de proceso que estn o no ligadas conesta performance, se mantengan de manera automtica dentro de losvalores deseados.Por otra parte, cuando se plantea el estudio de retorno de inversinproducto del reemplazo de una generacin de instrumentacin decontrol por otra ms moderna, deberemos tener cuidado en no caer en

el error de pensar que con slo incorporar un nmero mayor deinstrumentacin con la implementacin de estrategias de control demayor complejidad, podremos mejorar por s misma la performance deun ciclo que ya se encuentre operando satisfactoriamente y copiando lascondiciones de mxima performance a travs de todo el rango deoperacin. Bastar recordar que la automatizacin es simplemente la

tcnica que tiene como finalidad llevar a las variables de proceso, ya seamedibles o no, a sus valores deseados, en el


66/251

menor tiempo posible, mediante la correcta manipulacin de loselementos finales de control. Evidentemente, esta mejora deperformance est fuertemente ligada al equipamiento trmico asociado.Sin embargo, hoy en da, con la aparicin de los sistemas de control

basados en microprocesador, podemos correr aplicaciones ya no sloen el rea de automatizacin, sino en el rea que contempledecididamente el aumento de performance de todo el ciclo trmico atravs del uso de complejos modelos matemticos que interacten conlas estrategias de control regulatorio. Con este tipo de aplicacionesestaremos en condiciones de aprovechar al mximo los recursosenergticos de una planta.A igual que en Calderas l , no deseamos extendernos demasiado en lostemas que en este volumen se han de presentar, ya que es nuestra

intencin que lo expuesto les sirva a los profesionales y usuarios decalderas como base de lanzamiento para futuros anlisis detallados decada uno de los temas aqu mencionados.Por ltimo quisiera agradecer al personal de Foxboro Argentina por elapoyo brindado para el desarrollo de estos dos cuadernos profesionalesCalderas I y II

Eduardo A. Lifschitz


67/251


68/251


69/251

Energa:Habilidad de realizar trabajo.

Tipos de Energa:

Mecnica (Potencial o Cintica).

Qumica. Elctrica. Trmica.

Trabajo:Habilidad de desplazar una fuerza a travs de una determinadadistancia (Kg - m).

Temperatura Absoluta:

Temperatura por debajo de la cual se detiene toda actividad molecular.Sirve como temperatura de referencia para clculos termodinmicos yse expresa en grados Kelvin (K). 0 K equivalen a -273 C.

Presin Absoluta:Presin que toma como referencia al vaco absoluto. 0 Kg/cm2 absequivalen a -1 Kg/cm

2rel 0 mmHg abs.

Primera ley de Termodinmica:

La energa no puede ser creada ni destruida. Solamente se podrconvertir una clase de energa en otra.

Calor Especfico:Es la relacin de la cantidad de calor requerida para producir unavariacin de 1C en la temperatura de una masa de 1 Kg de unadeterminada sustancia (Kcal/Kg C).

Lquido Subenfriado:

Lquido a una temperatura menor a la de su punto de ebullicin para lapresin existente y que no contiene vapor.

Lquido Saturado:Lquido que se encuentra en su temperatura de ebullicin para lapresin existente y que no contiene agua.

2


70/251

Vapor Saturado:Vapor que se encuentra en su temperatura de ebullicin para la presinexistente y que no contiene agua.

Vapor Sobrecalentado:

Vapor a una temperatura mayor a la de su punto de ebullicin para lapresin existente y que no contiene agua.

Calidad del Vapor o Ttulo:Es el porcentaje de vapor en lquido; mezcla de vapor/agua encondiciones de saturacin.

Calor Latente:Cantidad de calor, agregado o eliminado a 1 Kg masa de una

determinada sustancia, con el fin de lograr el cambio de fase de toda sumasa. Esta puede ser de condensacin o de vaporizacin.

Energa Interna (E):Cantidad de energa contenida en la unidad de masa de una determi-nada sustancia y que depende exclusivamente de la temperatura de lamisma.

Entalpa (H):

La cantidad total de energa contenida en una unidad de masa de unadeterminada sustancia es igual a la energa interna ms el producto dela presin (P) con su volumen especfico (v). H = E + P. v/J, siendo J elequivalente de trabajo mecnico en calor.

Irreversibilidades:Son las prdidas energticas no deseables que sufre todo proceso realdurante su transformacin energtica y que produce la degradacin de

la eficiencia de ste. Estas pueden ser por ejemplo: prdidas porrozamiento en equipos mecnicos, prdidas de calor al medio ambiente,reacciones qumicas no deseadas, prdidas de aislacin en equiposelctricos, etc.

3


71/251

Entropa (S):Es la propiedad que describe matemticamente la porcin de energasuministrada al proceso que no puede ser convertida en trabajo til. Enotras palabras es una medicin de las irreversibilidades del proceso. Elproceso tericamente de mayor eficiencia es aquel que desarrolla su

trabajo a entropa constante isoentrpicamente.

Segunda ley de Termodinmica:Toda mquina trmica deber operar entre dos fuentes de diferentestemperaturas. La eficienc

calderas control y conceptos

Documents