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CALDERAS INDUSTRIALES
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“UNIVERSIDAD NACIONAL
SAN LUIS GONZAGA DE ICA”
FACULTAD DE INGENIERÍA
QUÍMICA
CALDERAS INDUSTRIALES
CALDERAS INDUSTRIALES
2
DEDICATORIA:
A nuestro docente del presente curso por
guiarnos en el camino del conocimiento
A nuestros padres, por el apoyo
incondicional que nos brindan en nuestra
carrera profesional
CALDERAS INDUSTRIALES
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ÍNDICE
CARÁTULA 1
DEDICATORIA 2
ÍNDICE 3
INTRODUCCIÓN 4
1. DEFINICIÓN 5
2. HISTORIA 5
3. CLASIFICACION DE CALDEROS INDUSTRIALES. 6
4. PARTES E INTEGRANTES DE UNA CALDERA. 14
5. COMBUSTIBLES PARA EL FUNCIONAMIENTO DE CALDEROS 19
6. COMBUSTION EN CALDERAS 22
7. EL AGUA PARA LOS CALDEROS. 23
8. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA PARA GENERAR
VAPOR 24
9. RIESGOS DE UNA CALDERA 26
CONCLUSIONES 27
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 28
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INTRODUCCIÓN
Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente
extendidas tanto para uso industrial, encontrándose en cometidos tales como,
generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente
sanitaria, etc.
Estos ejemplos muestran la complejidad que puede tener una caldera y que
haría muy extenso la descripción de los elementos que se integran en ellas.
Una caldera es un cambiador de calor; transforma la energía química del
combustible en energía calorífica. Además, intercambia este calor con un
fluido, generalmente agua, que se transforma en vapor de agua. En una
caldera se produce la combustión que es la liberación del calor del combustible
y la captación del calor liberado por el fluido.
Mediante el presente trabajo de investigación, describiremos los conceptos
principales de las calderas industriales como son definición, partes,
funcionamiento, tipos de combustión y otros puntos de gran importancia en
nuestra carrera profesional.
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1. DEFINICIÓN.
La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para
generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor
a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se
calienta y cambia su fase.
Es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente
de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de
transporte en fase líquida o vapor.
2. HISTORIA
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que,
aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan
el agua para aplicaciones en la industria.
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir
vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera
llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera
máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que
utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba
de producir trabajo útil.
Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor
de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un
industrial inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y
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desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.
Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de
agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución
industrial, la cual comenzó en ese siglo y continua en el nuestro.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas
durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo
gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas
encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor
peso por kW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su
instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido
calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de
carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz
de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es
decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos
cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt
recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos
33.000 libras- pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó
HORSE POWER, potencia de un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo
más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de
París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar,
llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.
3. CLASIFICACION DE CALDEROS INDUSTRIALES.
a) De acuerdo a la presión de trabajo.
De alta presión. Utilizadas básicamente en la generación de
potencia, presión de trabajo superior a 100psi. P > 64 kg/cm2.
De mediana presión. Usados en procesos industriales en pequeñas
plantas cuya presión de trabajo está entre 20 > P > 64 kg/cm2.
De baja presión. Usados en procesos industriales en pequeñas
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plantas de generación de potencia con una presión de trabajo
inferior a 100psi. P<20kg/cm2.
b) Por la posición de los gases y posición del agua.
Pirotubulares. Donde los gases producto de la combustión van
por el interior de los tubos calefactores, mientras que el agua por el
exterior de estos.
Acuotubulares. Aquí los gases van por el exterior de los tubos.
c) Por la posición y forma de los tubos.
Por posición de los tubos.
Verticales. Horizontales. Inclinados.
Por la forma de los tubos.
Rectos. Curvados.
d) Por la circulación del agua.
De circulación natural. De circulación aislada. De circulación forzada.
e) Por el mecanismo de transición de calor.
De convección. De conducción.
De radiación y convección.
f) Por el combustible empleado.
De carbón mineral.
De combustibles líquidos. De combustibles gaseosos. De combustibles
especiales.
De recuperación de calor de gases.
Mixtos y nucleares.
LA CLASIFICACIÓN MÁS IMPORTANTE.
a) Caldera Pirotubular
En estas calderas, los gases de combustión son obligados a pasar por el
interior de unos tubos, que se encuentran sumergidos en la masa de agua.
Todo el conjunto, agua y tubo de gases, se encuentra rodeado por una
carcasa exterior. Los gases calientes, al circular por los tubos, ceden calor, el
cual se transmite a través de los tubos, y posteriormente al agua.
La presión de trabajo normalmente no excede los 20 kg/cm2, ya que a
presiones más altas obligaría a espesores de carcaza demasiados grandes.
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Su producción de vapor máxima se encuentra alrededor de 25 ton/hr.
La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para
aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes
características.
El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición
horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de
calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida
de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra
cámara de salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y
abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de
gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se
efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del
cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa
posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.
El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un
soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose
como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las
conexiones a instalación.
La caldera, una vez realizadas las pruebas y comprobaciones reglamentarias
y legales por una Entidad Colaboradora de la Administración, se entrega
adjuntando un "Expediente de Control de Calidad" que contiene todos los
certificados y resultados obtenidos.
a.1) Las calderas Pirotubulares se clasifican en:
a) Para combustibles líquidos (Calderas de hogar integral y Calderas
compactas con tubo hogar)
b) Para combustibles gaseosos
a.2) Tipos de calderas Pirotubulares (Tipos, Características, Producción)
Calderas horizontales
Las calderas de vapor Pirotubulares OLMAR, se fabrican con producciones
comprendidas entre un mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y
con presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2 hasta 24 Kg/cm2.
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Cada unidad pasa por estrictos controles durante el proceso de fabricación.
Los resultados de estos controles, a los que se suman los que realizan
nuestros proveedores en su propio material, conforman un Expediente de
Control de Calidad. De esta forma se cumple lo indicado en el Código de
Construcción, así como en todas las normas oficiales en vigor, tanto
nacionales como de la Unión Europea.
Los procesos de soldadura están homologados y los operarios
cualificados, siendo las soldaduras radiografiadas según las exigencias del
Código de Diseño empleado.
A diferencia de otras calderas, cuya parte trasera solo es asequible por el
interior del hogar, la caldera de vapor OLMAR dispone en la parte de atrás de
una puerta abisagrada y de apertura total que deja al descubierto todo el
interior. La facilidad de manipulación y la total accesibilidad, permiten al
operario realizar las tareas de limpieza y mantenimiento desde el exterior y lo
que es muy importante, incluso inmediatamente después de haber detenido el
quemador.
Obsérvense otras dos características técnicas de suma importancia, la cámara
torna fuego refrigerada por agua en su interior y la ondulación del tubo hogar.
Como puede apreciarse el conjunto configura un sistema de tres pases de
gases antes de la salida de estos por la chimenea, lo que permite la obtención
de altos rendimientos térmicos que garantizan un 89 +/- 2%.
b) Caldera Acuotubular
En estas calderas los gases de combustión circulan por la parte externa de los
tubos, mientras que por su interior lo hace el agua.
Estas calderas tienen un gran espectro de producción de vapor, la cual puede
variar desde una pequeña producción, en calderas compactas, hasta las
grandes producciones de 1000 ton/h y presiones hasta 150 kg/cm2, cómo es el
caso de las centrales termoeléctricas.
En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para
aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el
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vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso
natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban
diseñadas para quemar combustible sólido.
La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista
entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la
presión y la temperatura.
A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con
tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido
dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua,
con tal que se aumente convenientemente su temperatura.
b.2) Las calderas acuotubulares se clasifican en:
a) Compactas (Hogar integral pequeño y Hogar integral grande)
b) No Compactas (Tubo recto y Tubo curvo)
c) Alta presión y temperatura
d) Lecho fluidizado (Burbujeante, Circulante, Presurizado)
Un ejemplo de estas calderas es la caldera acuotubular STEINMÜLLER. Estas
calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre
el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo
cilíndrico, en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el
vapor que se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un
sobrecalentador.
La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una,
a una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura.
Desde su construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el
año 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le
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incorporó sopladores y quemadores para combustibles líquidos.
En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres
accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad,
termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.
Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños,
disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.
La caldera que se muestra a continuación tiene un hogar con dos entradas
para ingreso del combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales
y domo frontal superior, con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para
una presión de unas 30 atm. y una temperatura de unos 400 ° C.
En la caldera siguiente en cambio, es del tipo humotubular altamente
reforzada, con tubos sobrecalentadores en los mismos conductos de humo,
preparada para combustible líquido o gaseoso, y aplicaciones navales
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Otros tipos de caderas acuotubulares.
Las calderas de vapor verticales acuotubulares marca OLMAR, están
formadas por un tubo de gran diámetro en su interior al que se acoplan una
serie de colectores por los que circula el agua.
Este tipo de calderas permiten una muy fácil accesibilidad a su interior y están
especialmente diseñadas para pequeñas industrias tales como tintorerías,
lavanderías, lácteos, panaderías.
Las calderas verticales OLMAR, se construyen con producciones que
varían desde la obtención de 70 Kg/h hasta 1.200 Kg/h y a unas presiones
comprendidas entre 2 y 14 Kg/cm2. Se utilizan distintos tipos de combustibles,
pero no solo los líquidos, sino que las calderas verticales OLMAR, permiten la
construcción de hogares especiales para combustibles sólidos, tales como
orujillo, madera, e incluso en algunos casos se fabrican con hogares
mixtos para combustibles sólidos-líquidos.
Caldera Babcock-Wilcox.
Compuesta de uno hasta tres colectores superiores de agua y vapor, unidos
al haz de tubos rectos inclinados por ambos extremos y el colector
inferior de impurezas.
El hogar es generalmente de parrilla mecánica, utiliza como combustible hulla
menuda, la cual es depositada en la tolva avanzando al interior del hogar.
Una vez penetrado al hogar, se destila quemándose los gases con llama
larga; el coke que resulta se sigue quemando, hasta quedar solo ceniza y
escoria. Los gases calientan primeramente la parte superior del haz tubular, el
recalentador del vapor, para continuar según las flechas hasta dirigirse a la
chimenea.
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El agua se inyecta a la cámara de agua del colector superior, bajando e
iniciando así su calentamiento, poniéndose en contacto con la parte menos
caliente de los tubos de agua. Se junta con el vapor que allí se forma y
circulan activamente, favorecidos por la inclinación de los tubos. El vapor se
recibe por válvulas colocadas en la parte más alta y se recalienta en su paso
por el recalentador al encender la caldera y para impedir que se fundan
los tubos secos del recalentador, se inunda, abriendo la llave de vapor y la de
agua, posteriormente se cierra esa llave y se elimina el agua por la llave
inferior.
Calderas Stirling.
Constan de tres colectores superiores dispuestos paralelamente entre sí, con
sus cámaras de vapor interconectadas por tubos de acero. Las cámaras de
agua de los dos primeros colectores están comunicadas. Los colectores
superiores están conectados al inferior mediante tres haces de tubos
delgados, expuestos al calor del hogar y de los gases producto de la
combustión.
Consumen hulla u otro combustible sólido, como también líquidos o gaseosos.
Los gases siguen el recorrido de las flechas calentando sucesivamente los
haces tubulares, pasando finalmente a la chimenea.
El agua es inyectada al último de los tres colectores superiores, descendiendo
por el haz menos calentado, para luego ascender por los dos anteriores, junto
con el vapor que se produce en ellos. El vapor es obtenido del colector central
superior, colocado a mayor altura que los otros dos, pudiendo ser enviado al
recalentador que se monta sobre el primer haz de tubos. Se pueden obtener
más de 80.000 Kg. de vapor por hora en esta caldera.
Caldera Borsig.
Compuesta de un colector superior de agua y vapor, unido al inferior de agua
e impurezas por un haz de tubos verticales curvados en sus extremos,
de tal manera que penetren radialmente en las paredes de los colectores,
para facilitar su expandidura. En un extremo superior se encuentra el
recalentador de vapor.
Tiene dos clases de tubos:
De descenso del agua (90-12 mm. diámetro). De vaporización (53,5-60 mm.
diámetro).
El agua de alimentación es inyectada en forma directa a los tubos de
descenso, que están provistos de un embudo, mientras que el otro embudo
donde terminan esos tubos por su parte inferior, permite la precipitación de
los sedimentos sobre el fondo del hervidor superior.
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El agua más caliente sube por los tubos de vaporización al colector superior,
de donde se extrae el vapor. Sobre los tubos de descenso va un mamparo
refractario, para guiar los gases producto de la combustión.
Caldera Yarrow y Thornycroft.
Empleadas principalmente en buques de vapor. Compuestas ambas de
un colector superior y de dos inferiores, unidos por dos haces de tubos. La
caldera Yarrow tiene los colectores inferiores achatados para así facilitar la
expandidura de los tubos. La Thornycroft tiene tubos curvos, que entran
radialmente a los colectores, aumentando también su longitud y
superficie y superficie de calefacción de la caldera.
Pueden quemar hulla o petróleo, en su amplio hogar, donde es quemada toda
la materia volátil. Los gases suben calentando los tubos y recalentadores, que
se ubican sobre ellos.
Calderas con Hervidores.
Este tipo de calderas surgieron bajo la necesidad de producir mayor cantidad
de vapor. Los hervidores son unos tubos que se montan bajo el cuerpo
cilíndrico principal, de unos 12 metros de largo por 1.50 metros de diámetro;
estos hervidores están unidos a este cilindro por medio de varios tubos
adecuados.
Los gases del hogar calientan a los hervidores al ir hacia adelante por
ambos lados del cuerpo cilíndrico superior, tal como en la caldera
anteriormente mencionada.
Las ventajas de estas calderas, a comparación de las otras, es por la mayor
superficie de calefacción o de caldeo, sin aumento de volumen de agua, lo que
aumenta la producción de vapor. Su instalación, construcción y reparación es
sencilla. Los hervidores pueden cambiarse o repararse una vez dañados.
La diferencia de dilatación entre la caldera y los hervidores pueden provocar
escape de vapor en los flanches de los tubos de unión y, a veces, la ruptura.
Esta es una de las desventajas de esta caldera.
4. PARTES E INTEGRANTES DE UNA CALDERA.
Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:
Cámara de agua.
Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la
caldera.
El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en
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unos 15 cms. por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.
Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo
cual forma la cámara de agua.
Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la
superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen,
mediano y pequeño volumen de agua.
Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de
construcción antigua.
Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una
capacidad superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de
calefacción.
Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos
de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la
superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.
Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos
tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta
considerablemente la superficie de calefacción.
Como características importantes podemos considerar que las calderas de
gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos
estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de
ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie
producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco
económicas.
Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran
superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor,
tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor.
Debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y
regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y
quemarse en breves minutos.
Cámara de vapor.
Es el espacio ocupado por el
vapor en el interior de la
caldera, en ella debe
separarse el vapor del agua
que lleve una suspensión.
Cuanto más variable sea el
consumo de vapor, tanto
mayor debe ser el volumen
de esta cámara, de manera
que aumente también la
distancia entre el nivel del
agua y la toma de vapor.
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ALIMENTADORES.
Casi cualquier carbón mineral puede quemarse con éxito en algún tipo de
alimentador; Además, los materiales de desecho y subproductos, como el
coque desmenuzado, los desechos de madera, la corteza, los residuos
agrícolas como el bagazo y los desechos municipales que pueden quemarse
como combustible básico o como auxiliar.
El área requerida para la parrilla, para un tipo y una capacidad dados de un
alimentador, se determina por la rapidez máxima permisible de quemado por
pie cuadrado, establecida por experiencia. El limite practico de salida de vapor,
en calderas con alimentación mecánica del combustible es cerca de 400 000
lb/h.
PULVERIZADORES
La combustión de carbón pulverizado rara vez se aplica en calderas de menos
de 100 000 lb de vapor por hora, ya que le uso de los alimentadores es más
económico para esas capacidades. En la mayor parte de las instalaciones se
aplica el sistema de inyección directa, en el que el carbón y el aire pasan
directamente de los pulverizadores a los quemadores, y la rapidez deseada de
combustión se regula por la rapidez de pulverización. Algunos tipos de
pulverizadores de inyección directa tienen la capacidad para moler 100
toneladas por hora.
El pulverizador proporciona la mezcla activa necesaria para secar el porcentaje
de materia volátil en el combustible tiene la relación directa con la temperatura
recomendada del aire primario para la combustión.
QUEMADORES.
El propósito principal de un quemador es mezclar y dirigir el flujo de
combustible y aire de tal manera que se asegure el encendido rápido y la
combustión completa. En los quemadores de carbón pulverizado, una parte del
15 al 25% del aire, llamada aire primario, se mezcla inicialmente con el
combustible para obtener un encendido rápido y actuar como un medio de
transporte del combustible. La porción restante o aire secundario se introduce a
través de registros en la caja de viento.
El quemador de tipo circular está diseñado para quemar carbón mineral y
puede equiparse para quemar cualquier combinación de los tres combustibles
principales, si se toman se toman las precauciones adecuadas para evitar la
formación de coque en el elemento carbón, si se está quemando combustoleo
y carbón mineral. Este diseño tiene una capacidad hasta de 165 millones de
Btu/h para el carbón, y más elevada para combustoleo o gas.
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HOGARES.
Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina el
producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se
presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se
adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al
método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una
combustión completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la
ceniza.
Los hogares enfriados por agua se utilizan con la mayor parte de unidades de
calderas, es decir en su gran mayoría, y para todos los tipos de combustible y
métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar
reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y, en
consecuencia, puede limitarse su temperatura a la que satisfaga los requisitos
de resistencia mecánica y resistencia a la oxidación. Las construcciones de
tubos enfriados por agua facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar y
optimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores, así como el
uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisoras, para aumentar la
superficie absorbente del calor en la zona de combustión. El uso de hogares
con enfriamiento por agua reduce las pérdidas de calor al exterior.
Las superficies absorbentes del calor en el Hogar, lo reciben de los productos
de combustión, en consecuencia, contribuyen directamente a la generación de
vapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases que sales del
mismo. Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectúan en
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forma simultánea. Estos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos que
proviene del lecho de combustible o de las partículas de combustible, la
radiación no luminosa de los productos de la combustión, la transferencia de
calor por convección de los gases del hogar y la conducción de calor a través
de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La eficacia de la
absorción de las superficies del hogar es influida por los depósitos de ceniza o
escoria.
Los hornos difieren en tamaño y forma, en la localización y esparcimiento de
los quemadores, en la disposición de la superficie absorbente del calor y de la
distribución de los arcos y tolvas. La forma de la llama y su longitud afectan la
geometría de la radiación, la velocidad y distribución de absorción del calor por
las superficies enfriadas por agua.
Las soluciones analíticas de la transferencia de calor en los hogares de las
unidades generadoras de vapor son extremadamente complejas, y es muy
difícil calcular la temperatura de los gases a la salida del hogar por métodos
teóricos. Sin embargo, se debe predecir la temperatura de estos gases en
forma precisa, ya que esta temperatura determina el diseño del resto de la
unidad de la caldera, en particular el del sobrecalentador y del recalentador.
Los cálculos deben de basarse en resultados obtenidos en pruebas,
complementados por datos acumulados por la experiencia en operación y
juicios, basándose en el conocimiento de los principios de la transferencia de
calor y de las características de los combustibles y escorias. Este método se
suma a los sistemas aventadores de hollín.
SISTEMAS AVENTADORES DE HOLLÍN.
Aun cuando la escorificación y la incrustación de las calderas que queman
carbón mineral y combustoleo puedan minimizarse mediante el diseño y la
operación apropiados, debe suministrarse equipo auxiliar para limpiar las
paredes del hogar y eliminar los depósitos de las superficies de convección,
para mantener la capacidad y la eficiencia. Chorros de vapor de agua y de aire
lanzados por las toberas de los aventadores de hollín desalojan la ceniza seca
o sintetizada y la escoria, las que entonces caen en tolvas o se van junto con
los productos gaseosos de la combustión al equipo de eliminación.
Los tipos aventadores de hollín varían en relación con su ubicación en la
unidad de la caldera, la severidad de la ceniza o las condiciones de la escoria,
y la disposición de las superficies que absorben calor.
CENIZA.
Las calderas que queman carbón mineral pulverizado pueden diseñarse para
que funcionen con ceniza seca o con bigotera. Las de tipo de ceniza seca son
apropiadas en particular para aquellos carbones con temperaturas altas de
fusión, la ceniza que choca con las paredes enfriadas por agua del hogar
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pueden extraerse con facilidad. El hogar con bigotera utiliza carbones que
tienen temperaturas bajas de fusión de sus cenizas y se diseña para que tenga
temperaturas elevadas cerca del piso, con lo que se logra que la ceniza se
funda y pueda sangrarse, es decir que tenga una caída natural.
La ceniza, al sintetizarse o fundirse, forma depósitos sobre las paredes del
hogar, superficies de la caldera y en los tubos del sobrecalentador, lo que
reduce la absorción de calor, aumenta la perdida de tiro y posiblemente
provoca el sobrecalentamiento de los tubos. Pueden ocurrir dos tipos generales
de acumulación de escoria sobre las paredes. Pueden ocurrir dos tipos
generales de acumulación de escoria sobre las paredes del hogar y superficies
de convección.
Se produce escorificación cuando partículas de ceniza fundidas, o parcialmente
fundidas, arrastradas en el gas chocan contra una pared o en la superficie de
un tubo, se enfrían y se solidifican.
Se tiene la incrustación, cuando los constituyentes volátiles de la ceniza se
condensan sobre partículas de ceniza muy fina, sobre los tubos de convección
y sobre los depósitos existentes de ceniza se condensan sobre partículas de
ceniza muy fina, sobre los tubos de convección y sobre los depósitos existentes
de ceniza, a temperaturas en las que estos constituyentes volátiles se
mantienen líquidos y se les permite reaccionar químicamente para formar
depósitos ligados.
5. COMBUSTIBLES PARA EL FUNCIONAMIENTO DE CALDEROS.
5.1. Combustibles sólidos.
Leña
Casi tan antiguo como la existencia del hombre es la utilización del fuego como
medio de calefacción. El control sobre él dispuso a voluntad, de un medio
practico para resguardarse de los crudos inviernos. Históricamente la leña ha
sido el método más tradicional de calefacción, aunque su utilización a cielo
abierto siempre restó eficacia a su poder calorífico. El nacimiento de los
hogares cerrados, primero en piedra y luego en fundición, comenzaron a
aprovechar la verdadera potencia de la leña.
Enumerar las ventajas de la leña es mezclar sentimientos con elementos
físicos. Así podríamos decir que:
Es un elemento combustible sin poder de explosión
Alto poder calórico de algunas especies
Elemento biodegradable aun después de su combustión
Imagen afectiva ligada al ambiente hogareño
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Alto poder de fascinación visual
Afecta a varios aspectos sensitivos (olor, vista, tacto, oído)
Precio razonablemente económico (incluso gratis)
Poder de reunión (imagen común de personas a su alrededor)
Aspecto importante a tener en cuenta a la hora de tratar la leña es su
humedad. La leña para ofrecer sus más altas cotas de poder calorífico ha de
estar liberada en su mayor parte de la humedad. Para ello es importante
respetar los tiempos de secado condicionados por el método de
almacenamiento. Se recomienda un tiempo mínimo de 18 meses,
preferentemente almacenándolos a cubierto.
Para esas condiciones y transcurridos esos meses la humedad inicial que
podía ser de un 75% pasaría a ser del 15%, humedad suficientemente baja
como para evitar los problemas de quemar leña sin secado previo:
5.2.- Combustibles líquidos artificiales.
Petróleo.
El petróleo, llamado también oro negro, se ha formado en épocas muy
remotas. Su origen responde a restos fósiles, depositados en las
profundidades.
Los petróleos están constituidos por distintos hidrocarburos, de distintos grados
de densidad y volatilidad. La diversidad en las proporciones en los elementos
que los componen, hacen que difieran fundamentalmente las características
del petróleo obtenido en lugar con respecto al obtenido en otro sitio.
Los diversos subproductos obtenidos, tanto en la dilatación primaria como en
la secundaria, son sometidos a procesos de refinación, con el objeto de
eliminar los componentes indeseables y nocivos que puede contener los
mismos.
El petróleo en estado crudo tiene muy poco uso como combustible, pues
desprende vapores sumamente inflamables.
Si la destilación primaria y secundaria a la que se somete el petróleo se
obtiene una gran diversidad de subproductos, los principales de los cuales se
indican en el cuadro siguiente conjuntamente con el uso al que se los destina.
Nafta: Es un combustible altamente volátil, muy inflamable y es utilizado,
sobre todo, como combustible para motores a explosión. Su poder calorífico es
11000 cal / Kg.
Kerosene: Constituye un derivado menos volátil e inflamable que la nafta. Su
poder calorífico es de 10500 cal / Kg. Se utiliza en calefacción y en las
turbohélices y reactores de las turbina de gas de los motores de aviación. Gas-
Oil: es denso, menos volátil que el petróleo. Su poder calorífico es igual a
10250 cal / Kg. Se lo utiliza mucho en calefacción y para hornos
industriales y metalúrgicos.
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Diesel-oil: es un subproducto obtenido de los derivados más pesados del
petróleo. Se quema más lentamente que el gas-oil. Se utiliza sólo en
motores Diesel lentos en los cuales el combustible dispone más tiempo
para quemar. Su poder calorífico es de 11000 cal / Kg.
Fuel-oil: es un subproducto obtenido de los derivados más pesados del
petróleo. Se quema con dificultad. Su poder calorífico es igual a 10000 cal / Kg.
Alquitrán de hulla: es un subproducto obtenido de la fabricación del coque.
Puede quemar directamente pero se lo utiliza poco como combustible,
usándolo sólo en hogares especiales para este, que puedan vencer la
viscosidad del mismo. Su poder calorífico es de 9100 cal /Kg.
Alquitrán de lignito: se lo obtiene de la destilación del lignito. Su poder
calorífico es 9600 cal / Kg. Es muy similar al gas-oil, pero al utilizarlo en
motores diesel, su comportamiento es muy inferior del de los derivados del
petróleo.
Alcoholes: pueden quemar muy fácilmente. Tienen diversos orígenes
(derivaciones de: petróleo, vino, papas, etc.). Los alcoholes puros, como
combustibles tienen muy poco uso. Su mayor empleo está en la fabricación de
mezclas con benzol, bencina o naftas con objeto de mejorar la calidad de las
mismas.
5.3.- Combustibles gaseosos
El estado gaseoso de los combustibles es que mayor facilidad brinda para que
se produzca una eficiente combustión, la cual recibe el nombre de explosión.
La facilidad de acceso del aire a las diversas partículas del combustible, hace
que la propagación se efectué en forma rápida.
Si la presión o la temperatura, alcanza un valor por arriba de un límite
determinado, la propagación adquiere valores muy grandes y deja de ser una
explosión para ser una detonación, en la cual la velocidad de la reacción
química que se produce sea mucho mayor.
La velocidad de propagación en una onda detonante, para una combustión
de hidrógeno y oxígeno puro alcanza un valor 2000 m/seg..
El punto de inflamación de una mezcla está dado por la temperatura: Para el
acetileno 425 ºC
Para el metano 700 ºC Para el hidrógeno 585 ºC
Gas natural: Es el gas que se obtiene directamente de los yacimientos
petrolíferos. Este gas es el encargado de empujar al petróleo a la
superficie. Su uso es muy utilizado en los alrededores de los yacimientos. Su
poder calorífico es de 9500 cal / m3.
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Gas de alumbrado: Se lo denomina también gas de hulla. Se lo obtiene de la
combustión incompleta de la hulla. Por cada 100 Kg. de carbón que se
carbonizan, se obtienen unos 30 ó 35 metros cúbicos de gas de alumbrado. Es
un excelente combustible, usado principalmente para usos domésticos y para
pequeños hornos industriales. Su precio es elevado. Su poder calorífico
es de entre 4380 y 5120 cal / m3 .
Acetileno: Se obtiene del tratamiento del carburo de calcio del agua. Es un
excelente combustible. Su poder calorífico es superior a 18000 cal / m3. Gas de
agua: Se obtiene haciendo pasar vapor de agua a través de una masa de
carbón de coque incandescente. Su poder calorífico es de 2420 cal / m3.
Gas de aire: Se lo obtiene haciendo pasar aire por un manto de hulla o lignito
incandescente de gran espesor. Su poder calorífico es de 1080 cal / m3.
Gas pobre o mixto: se lo obtiene haciendo pasar una corriente de aire
húmedo, es decir, una mezcla de aire y vapor de agua a través de una
masa de gran espesor de hulla o lignito incandescente. La mezcla de vapor de
agua y aire, quema parcialmente, produciendo cantidades variables de óxido
de carbono e hidrógeno, estas sustancias van a constituir los elementos
activos del gas mixto. Tiene un poder calorífico de entre 1200 y
1500 cal / m3.
6. COMBUSTION EN CALDERAS
Se denomina aire mínimo o teórico para la combustión a la cantidad
estequiométrica de este, necesaria para una combustión completa
Se considera que un combustible (sólido o líquido) está formado por carbono,
hidrógeno, oxígeno y azufre, siendo su composición en tanto por uno en peso.
PC Kg. de carbono / Kg. de combustible PH2 Kg. de hidrógeno / Kg. de
combustible PO2 Kg. de oxígeno / Kg. de combustible PS Kg. de azufre / Kg. de
combustible de tal forma que se verifique:
Teniendo en cuenta que las reacciones químicas de la combustión completa
son:
La combustión en una caldera se realiza con el fin de obtener energía, y es
obvio que para una mejor rentabilidad es preciso recuperar, del modo más
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posible, la energía química contenida en potencia en el combustible. Esta
energía química va a liberarse bajo la forma de calor en las reacciones de la
combustión. Este calor va a ser recuperado en la caldera para producir vapor y
recalentarlo. La diferencia entre la energía en potencia, contenida en el
combustible, y la energía absorbida por el vapor constituye la energía perdida
(calorías perdidas). El rendimiento de la combustión es, pues, función de estas
pérdidas. Las causas de estas pérdidas son numerosas.
Poder calorífico
La unidad que se emplea para medir la cantidad de calor desarrollada en
la combustión se la denomina poder calorífico.
Se entiende por poder calorífico de un combustible, la cantidad de calor
producida por la combustión completa de un kilogramo de esa sustancia. Tal
unidad se la mide en cal/kg de combustible.
7. EL AGUA PARA LOS CALDEROS.
El agua se encuentra en la naturaleza y va acompañada de diversas sales y
gases en disolución.
Según los elementos que la acompañan, podríamos considerar las mismas en
dos grandes grupos: "Elementos Disueltos" y "Elementos en Suspensión",
esto lo constituyen los minerales finamente divididos, como las arcillas y los
restos de organismos vegetales o animales; y la cantidad de sustancias
suspendidas, que son mayor en aguas turbulentas que en aguas quietas y de
poco movimiento.
Es importante destacar que es necesario añadir a las descriptas, los residuos
que las industrias lanzan a los cursos fluviales procedentes de distintos
procesos de producción.
Constituyen los elementos disueltos en el agua, las sustancias orgánicas,
las sales minerales, los gases disueltos, las sales minerales y la sílice, aunque
ésta también suele aparecer como elemento en suspensión en forma de
finísimas partículas o coloides.
Las aguas pueden considerarse según la composición de sales minerales
presentes en:
Aguas Duras.
Importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles,
principales responsables de la formación de depósitos e incrustaciones.
Aguas Blandas.
Su composición principal está dada por sales minerales de gran solubilidad.
Aguas Neutras.
Componen su formación una alta concentración de sulfatos y cloruros que no
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aportan al agua tendencias ácidas o alcalinas, o sea que no alteran
sensiblemente el valor de pH.
Aguas Alcalinas.
Las forman las que tienen importantes cantidades de carbonatos y
bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio, las que proporcionan al agua
reacción alcalina elevando en consecuencia el valor del pH presente.
Los gases disueltos en el agua, provienen de la atmósfera, de
desprendimientos gaseosos de determinados subsuelos, y en algunas aguas
superficiales de la respiración de organismos animales y vegetales. Los gases
disueltos que suelen encontrarse son él oxígeno, nitrógeno, anhídrido
carbónico presente procede de la atmósfera arrastrado y lavado por la lluvia,
de la respiración de los organismos vivientes, de la descomposición
anaeróbica de los hidratos de carbono y de la disolución de los carbonatos
del suelo por acción de los ácidos, también puede aparecer como
descomposición de los bicarbonatos cuando se modifica el equilibrio del agua
que las contenga
El gas carbónico se disuelve en el agua, en parte en forma de gas y en parte
reaccionando con el agua para dar ácido carbónico de naturaleza débil que se
disocia como ión bicarbonato e ión hidrógeno, el que confiere al agua carácter
ácido.
8. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA PARA GENERAR
VAPOR
El agua para calderas debe ser tratada químicamente mediante procesos de
descarbonatación o ablandamiento, o desmineralización total, adicionalmente,
según la presión manejada por la caldera, es necesario controlar los sólidos
suspendidos, sólidos disueltos, dureza, alcalinidad, sílice, material orgánico,
gases disueltos (CO2 y O2), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento, la
caldera sufrirá problemas de incrustaciones, sedimentación, desgaste por
material particulado, etc.
El agua de alimentación que va a la caldera es almacenada en un tanque o
cámara de agua (nombre que se le da al espacio que ocupa el agua en el
interior de la caldera) con capacidad suficiente para atender la demanda de la
caldera, así una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, a su
vez una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera por
medio de tuberías (tubos), al tiempo que, se da la combustión en el horno u
hogar, esta es visible por el funcionamiento del quemador en forma de flama, el
quemador es controlado automáticamente para pasar solamente el combustible
necesario (el combustible puede ser solidó, liquido o gaseoso, dentro de los
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más conocidos se encuentran el carbón, el combustoleo, y el gas). Este
proceso de combustión es de gran importancia en la operación de las calderas
y debe ser lo más óptimo posible en cuanto a su consumo y además amigable
con el medio ambiente.
La flama o calor, aprovechada en las calderas para evaporar el agua, es
dirigida y distribuida a las superficies de calentamiento o tuberías donde la
energía térmica liberada en el proceso de combustión se transmite al agua
contenida en los tubos (en algunos casos el agua fluye a través de los tubos y
el calor es aplicado por fuera a este diseño se le conoce como Acuotubular, en
otros casos los tubos están sumergidos en el agua y el calor pasa por el interior
de los tubos a este diseño se le conoce como Pirotubular, estos dos diseños de
calderas son los más utilizados) donde por medio de los procesos de radiación,
conducción y convección el agua se transforma en vapor, dicho vapor es
conducido por tuberías a los puntos de uso o puede ser colectado en cámaras
para su distribución; en la parte superior de la caldera se encuentra una
chimenea la cual conduce hacia afuera los humos o gases de la combustión;
en el fondo de la caldera se encuentra una válvula de salida llamada purga de
fondo por donde salen del sistema la mayoría de polvos, lodos y otras
sustancias no deseadas que son purgadas de la caldera.
En conjunto en la caldera existen múltiples controles de seguridad para aliviar
la presión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del
agua es demasiado bajo o para automatizar el control del nivel del agua.
Sabemos que en su proceso de calentamiento, parte de la carga total de vapor
irá a las unidades de calefacción para mantener a los trabajadores en
condiciones ambientales agradables. El resto del vapor se utilizará para
mantener calientes los alimentos en la cafetería, viajará para utilizarse en el
lavaplatos, en el gabinete de esterilización, en fábricas, tintorerías,
pasteurización de leche y en muchas otras acciones, esto se debe a que su
funcionalidad no tiene límites. etc.
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9. RIESGOS DE UNA CALDERA
1. Aumento súbito de la presión:
Esto sucede generalmente cuando se disminuye el consumo de vapor, o
cuando se descuida el operador y hay exceso de combustible en el hogar o
cámara de combustión.
2. Descenso rápido de la presión:
Se debe al descuido del operador en la alimentación del fuego.
3. Descenso excesivo del nivel de agua:
Es la falla más grave que se puede presentar. Si este nivel no ha
descendido más allá del límite permitido y visible , bastará con alimentar
rápidamente, pero si el nivel ha bajado demasiado y no es visible, en el tubo
de nivel, deberá considerarse seca la caldera y proceder a quitar el fuego,
cerrar el consumo de vapor y dejarla enfriar lentamente. Antes de
encenderla nuevamente, se deberá inspeccionarla en forma completa y
detenida.
4. Explosiones:
Las explosiones de las calderas son desastres de gravedad extrema, que
casi siempre ocasionan la muerte a cierto número de personas. La caldera
se rasga, se hace pedazos, para dar salida a una masa de agua y vapor;
los fragmentos de la caldera son arrojados a grandes distancias.
Estos accidentes desgraciadamente frecuentes, han sido atribuidos durante
mucho tiempo a causas excepcionales y fuerza del alcanza de la
prevención, es decir, se les ha considerado como caso de fuerza mayor.
El estudio de las causas de las
explosiones he permitido determinar que
estas se deben a:
Construcción defectuosa
Falla de los accesorios de
seguridad
válvula de seguridad que no habrán
oportunamente o no son capaces
de evacuar todo vapor que la
caldera produce.
Negligencia, descuido o ignorancia
del operador.
Mezcla explosiva en los conductos de humo.
Falta de agua en las calderas (la más frecuente)
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CONCLUSIONES
Podemos concluir que las calderas industriales están diseñado para
generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una
transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido,
originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La
transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión
que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su
presión y temperatura.
Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es
muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes
a presiones altas, como el acero laminado.
Las calderas se clasifican por su diseño en pirotubulares o
acuotubulares. Sin embargo, pueden ser clasificadas desde otros
aspectos, que incluyen, por el tipo de materiales de que están
construidos, por su aplicación, por la forma de toma de aire, por el tipo
de combustible que utilizan, por la presión con que operan o por el fluido
portador de calor que emplean.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GUÍA DE CALDEROS INDUSTRIALES
http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-basica-calderas-
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CALDEROS INDUSTRIALES CLASIFICACIÓN
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http://www.monografias.com/trabajos97/calderos-tipos/calderos-
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PARTES Y FUNCIONAMIENTO DE CALDERAS INDUSTRIALES
http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/800/3/CAPITULO%202.p
df
https://www.estrucplan.com.ar/Producciones/entrega.asp?IdEntrega=29
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