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ELABORACION DE UN TEXTO TEORICO SOBRE CALDERAS
CARLOS ALBERTO ASPRILLA CORTES
JORGE ALBERTO CASAS VARGAS
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SANTIAGO DE CALI
CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAI,IA DE INGENIERIA MECANICA
r -994
ELABORACION DE UN TEXTO TEORICO SOBRE CALDERAS
CARLOS ALBERTO ASPRILLA CORTES
JORGE ALBERTO CASAS VARGAS
Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para
optar al Título de Ingeniero Mecánico.
Director : GUSTAVO EBRATT.Ingeniero Mecánico.
SANTIAGO DE CALI
CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTE
DIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA
t.994
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l/NL
NOTA DE ACEPTACION
Aprobado por el ComitéGrado en cumplimiento deexigidos por 1aUniversitaria Autónomapara optar al Tí tu Io deIngeniero Mecánico
JURADO
de trabajo delos requisitos
Corporaciónde Occidente
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DIRECTOR
Santiago de Cali, Mayo de 1
DEDICATORIA
A mis Padres: José Antonio y DoraEliza, quienes con su amor ycomprensión siempre han estado enla culminación de mis estudios yme han brindado el apoyo para eIIogro de las metas que me hepropues to .
A Adriana del Pilar que con suarnor y comprensión me motivó asalir adelante.
CARLOS ALBERTO
A la sabiduría y honestidad de miPadre, a los cuidados y pacienciade mi lvladre, y a La colaboraeióny apoyo de mis hermanos debo elinicio a mi vida profesional.
A todos ellos GRACIAS.
JORGE ALBERTO
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TABLA DE CONTENIDO
Pág.
O. INTRODUCCION 1
1. TIPOS DE COMBUSTIBLE Y SUS CARACTERISTICAS 3
1.1. COMBUSTIBLE 3
I.2. COMBUSTIBLE PARA CALDERAS 4
I.2.I. Propíedades de los Combustibles 4
1.2.1.1. Poder Calorífico Superior 4
I.2.I.2. Poder Calorífico Inferior 5
I.2.2. Fórmulas: Poder CaIorífico Superior e Inferior 6
1.3. ANALISIS DE CARBONES 7
1.3.1. Análisis Próximo 7
L.3.2. Análisis Ultimo 7
1.4. CLASIFICACION DE CARBONES 9
1.5. FORMACION DE ESCORIA 10
1.6. COMPOSICION Y CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL
1.6.1
1.6.1
COMBUSTIBLE SOLIDO
. Humedad
.1. Consecuencias de la Humedad para elCombus t ib 1e
| .6 .'2. Cenizas
1. 6.3. Sustancias Volátiles
L.7. CARACTERISTICAS GENERALES DEL COMBUSTIBLEPARA TODOS LOS TIPOS DE CALDERAS DE PARRILLA
v
t2
15
16
16
1B
20
1R COMPOSICION Y CARACTERISTICAS PRINCIPALES DELCOMBUSTIBLE LIQUIDO
1. Propiedades del Combustibles Líquidos
1.1. Densidad
| .2 . Viscosiclad
1.3. Punto de Inflamación
I.4 . Destilación
2. Análisis de Combustibles Líquídos
3. Clases de Combustibles Líquidos Empleadosen Calderas
COMPOSICION Y CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL
Tipos de Tratamientos con Aditivos paraCombustibles Líquidos
1. Degradación del Combustible
2. Oxidación
3 . Crecimient-o de Bacterias
4. Corrosión
Adi tivos
Tratamiento Durante y Después de laCombus t i ón
1. Depósitos
2. Escoria
3. Corrosión
4. Emisiones
5. Depósitos Incrustantes y Corrosión
TRATAMIENTOS PARA CALDERAS QUE OPERAN CON
cARBoN vi
Páe-
22
'23
23
25
25
26
26
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29
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39
39
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1.
1.
1.
1.
1.
1.
1.
B.
B.
B.
B.
B.
R
B.
1.9COMBUSTIBLE GASEOSO
1. 10. IqANEJO Y TRATAMIENTO DE COMBUSTIBLES PARACALDERAS
1.10.1.
1.10.1.
1.10.1.
1.10.1.
1.10.1.
1.10.2.
1. 10.3.
1.10.3.
1. 10.3.
1.10. 3.
1. 10.3.
1.10.3.
1.11.
Pág.
1.72. PREPARACION DEL CARBON 44
1.I2.L. Sistemas de Preparación 44
I.I2. 1 . 1. Sistema de Preparación Separada 44
L.L2.7.2. Sistema de Preparación Indivídual 46
7.12.2. Pulverizadores de Carbón 48
L .1'2 .2 . L . Pulveri zador de Velocidad Media 48
1.I2.2.7.I. Pulverizador de Collar de Bo1as 48
1.I2.2.I.2. Pulverizador de Tipo Rodillo 48
I.L2.2.1.3. Mo1ino de Tubo 49
L.I2.2.2. Pulverizador de AIta Velocidad 50
1.13. CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA PARA LACOMBUSTION DE COMBUSTIBLES PESADOS 50
I.14. FACTORES DE CONVERSION DESTINADOS PARATRADUCIR LA COMPOSICION DE COMBUSTIBLE
1.15
2.
2.1.
t)
2.3.
??
2.4.
9q
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
DE UNA MASA A OTRA
. PROBLEMAS DE APLICACION
TEORIA BASICA DE LA COMBUSTION
COT{BUSTION
CONTROL DEL PROCESO DE COMBUSTION
AIRE TEORICO
1. Defecto de Aire
COMBUSTION INCOMPLETA
EXCESO DE HUMO
CAUSAS DE LA COMBUSTION CON HUMOS
TIRO INSUFICIENTE
CANTIDAD DE AIRE NECESARIO PARA LA COMBUSTIONY PRODUCTOS DE LA COMBUSTION
VOLUMEN Y COMPOSICION DE LOS PRODUCTOS DEcoMBUSTToN
vii
51
51
60
60
63
OJ
66
69
70
70
72
76
79
2.10. ENTALPIA DE LOS PRODUCTOS DE
2.II, ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE
2.T2. PROBLEMAS DE APLICACION
2,73. INSTRUMENTOS DE MEDICION PARA
2.13.1 . Operación del Aparto OrsatCombus t i ón
Páe-
COMBUSTION 83
ESCAPE 86
B6
GASES DE ESCAPE 89
y Análisis de
2.13.1.1. Análisis de l.a l{uestra
2.73.I.2. Recomendaciones
2.t.3.1.3. Preparación de Reactivos para el AparatoOrsa t
2 -13.1.3.1. Para Dióxido de Carbono ( CO?)
2.13.L.3.2. Para Oxígeno (0,,)
2.13.3.3.3. Para Monóxido de Carbono (CO)
2.13.2. Puntos de Toma de Muestras
2.13.3. Test de COI
2.13 .4 . Test de O,
2.13.5. Test de Temperat-ura
2.]-i.6. Test de CO
'2 . L3 .7 . Tes t de Humos
2.13. B. Test de Tiro
3. ESQUEPIAS DE GENERACION DE VAPOR
3.1. QUE ES VAPOR ?
3 .2. POR QUE SE USA EL VAPOR ?
4. BALANCE TERMICO EN LAS CALDERAS, SL] RENDIMIENTOY CONSUMO DE COMBUSTIBLE
90
92
94
94
94
95
95
95
97
100
102
103
104
106
109
109
109
116
116
118
118
4.1.
4.2.t. '>
ECUACION DE BALANCE TERMICC)
CALOR FISICO DET, COMBUSTIBLE
CAPACIDAD CALORTFICA Of. lO MASA APROVECHADAvaaa
Pág.
4.4. CALOR INTRODUCIDO EN EL HOGAR AL EFECTUAREL SOPLADO CON VAPOR 720
4.5. CALOR INVERTIDO PARA DESCOMPONER LOS CARBONATOSDURANTE LA COMBUSTION DE LOS ESQUISTOS I2O
4.6. CALOR APROVECHADO EN EL EQUIPO DE LA CALDERA(Ql ) rzr
.4.6.1. Calor Aprovechado en Ia Caldera paraCalentar Agua
4.6.2. Calor Finalmente Aprovechado en el Equipode la Caldera
4.7 . PERDIDAS DE CALOR CON LOS GASES DE ESCAPE
4.8. PERDIDAS DE CALOR pOR COMBUSTION QUIMICATNCOMPLETA ( Q3 )
4 .8.1. Mezcla Completa Ideal ( Cámara Perfecta )
4 . B .2 . Carga Real ( Quemador ReaI )
4 .8 . 3 . Carga Baj a ( en el Arranque de Ia Caldera )
4.9. PERDIDAS DE CALOR POR COMBUSTION MECANICATNCOMPLETA ( Qi )
4.10. PERDIDAS DE CALOR POR ESTRUCTURAS DEPROTECCION DEL HOGAR Y CONDUCTOS DEGASES DE CONVECCTON ( Q5 )
4.11. PERDIDAS EN FORMA DE CALOR FISICO CONLA ESCORTA (Q6)
4.12. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA
4.12.I. Consumo de Combustible
4.13. PROBLEMAS DE APLICACION
4.74. CONTROL DE LA EFICIENCIA DE LAS CALDERAS
5. TIPOS DE CALDERAS
5.1. CALDERA
5.2. COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR
5.3. ACCESORIOS PARA CALDERASl-x
r27
122
r2'2
123
I23
I23
724
t24
t27
727
130
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131
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143
r44
749
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i
5.4. USO
5.5. PRESION
5.6. MATERIALES
5.7 . CONTENIDO DE LOS TUtsOS
5.7 .I. Calderas Pirotubulares
5.7 .2. Calcleras Acuotubttlares
5.7 .2.1. Partes de la Caldera
5.7.2.2. Clasificación
5.7 .2.2.1. Calderas de Tubos Poco Lncl,inados
5.7.2.2.2. Calderas de T'ubos Muy Inclinados
5.7 .2.2.3. Calderas de Radiación
5.7 .2.3. EI Hogar
5.7.2.4. Cuerpo de la Caldera o Domo
5 .7 .2.4 .7. Separador de Vapor
5.7 .2.5. Sobrecalentadores y Recalentadores
5.7 .2. 5. 1. Sobrecalentador
5.7 .2.5.2. Recalentadores
5.7 .2.5.2.1. Generalidades
5.7.2.5.2.2. Clasificación
5.7 .2.5.2.3. Regulación del Calentamiento
5.7.2.5.2.4. Equipo del Recalentador
5 .7 .2 .6 . Economizaclores
5.7 .2.6.1. Clasif icacicin
5.7 .2.6.2. Equipo de1 Economizadot
5.7 .2.7 . Calentador de Aire
5.7 .2.7 .I. Utilidad det Calentamiento del Aire
Pág.
150
152
153
153
154
158
159
160
161
762
t64
16s
767
168
L69
169
172
L72
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173
174
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177
178
]-79
180
5.7.2.tr, 1'J.¡.L.
6. SI
6.1.
6.1.1.
6.1.1.
6.1.1.
6.7.2.
6.'2.
6.2.7.
6.2.7.
6.2.2.r-a
6.3.1.
7. TICI
7 .L.
7.L.r.7.I.2.
7.L.3.
71?
7 .2. Temperaturas Límitesdel Aire
Pág
deI Calentamiento181
181
IB2
184
184
de Combustión 184
184
184
186
TB7
t92
l-92
197
198
200
7 .3. Clasificación
7 .4. Colocación
STEMA DE QUEMADO DE COMBUSTIBLE
QUEMA EN PARRILLA
Zonas de Oxidación y Reducción
1. Zona de Oxidación
2. Zona de Reducción
CIRCULACION NATURAL
Características de 1a Tubería
MúItiplo de Circulación
Bases para eI Diseño delCirculación Natural
1. Método de Cálculo delCi rcu lación
Ventajas y Desvencajas de la Quema enParri I 1a
QUEMA EN CAMARA
Tipos de Quemadores
1. Quemadores para Carburante Gaseoso yDesechos de Gases de 1a producción
Ventajas y Desventajas de la Quema en Cánara
QUEMA EN LECHO FLUIDIZADO
Ventajas y Desventajas de la Quema en LechoFIui dízado
POS DE CALDERAS SEGUN ELRCULACION
SISTEMA DE204
204
de Circulación 206
206
Circuito deen Calderas
Circuito de
207
7)
7)
. CIRCULACION FORZADA
.1. Ventajas
212
2l-5
2L5xl-
-1
B.
B.
R
2.2. Desventajas
3. CIRCULACION DIRECTA
TRATAMIENTOS DE AGUA PARA PLANTAS TERMICAS
Páe.
277
220
z ¿r+
¿ /.+
226
226
226
226
2'26
'227
227
227
'227
228
228
228
229
233
233
¿34
234
235
'l
1.1
CARACTERISTICAS DEL AGUA
. Parámetros que Determinan la Calidaddel Agua
.1. Dureza
.2. Contenido de Sílice
.3. Contenido de Sales
.4. Contenido de Oxígeno
.5. Alcalinidad
.6. P.H.
8.1.1
8.1.1
8.1.1
8.1.1
8.1.1
8.1.1
B .I.2
8.L.2
8.1.2R'r)
8.1.2
8.1.2Rlt
8.7.2
8.1.2
8.I.2
8.1.3
.1.
.1.
.1.
.1.
.1.
)
?
.4.
Problemas que se Presentan en
Corros ión
1. Oxígeno Disuelto
2. Concentración de Iones de
3. Velocidad del Agua
L. Temperatura
Problemas por Picaduras
Problemas por Incrustaciones
Problemas por Fragilidad
Problemas por Arrastre en el
Origen y Comportamiento de lasen el Agua
las Calderas
Hidrógeno
Vapor
Impurezas
8.1.3.1.
8.1.3.2.
8.1.3.3.
Succión de Agua y Aire en los Condensadores '236
Ctrn el Agua AdicionaL 236
Con Product-os de Corrosión 236
xa t-
8.1.4. Iviétodos para l{antener los parámetros delAgua en su Valor Normal
8.1.5. Tratamientos Específicos del Agua para
Pág.
239
Calderas Z4O
8.1.5.1. Tratamientos Típicos de Agua Cruda Z4O
8.1.5.1.1. Coagulación 24O
8.1.5.I.2. Desgasificación 24O
8.1.5 .1.2.I. Principio de Funcionamiento de unDesaireador 242
8.1.5.1.3. Osmosis Invertida 243
B.1.6. Tratamiento Externo deI Agua de Alimentación 244
B. 1.6.1. Precipitación Química 244
8.1.6.1.1. Suavización 244
8.1.6.I.2. Proceso de Intercambio Ionico 244
8.1.6.3. Desmineralización 246
8.1.6.3.1. Térmico o Destilación Zt+6
B. 1.6.3.2. Proceso Químico 247
8.1.7. Tratamiento Interno det Agua deAlimentación para Calderas 249
8.1.7.1. Eliminación de Dureza Z4B
8. 1.7.1.1. Acción de Fosfatos Z4g
8.I.7.2. Sílice 250
8.1.7.3. Tratamiento de Condensados de Vapor 250
8.2. PURGA DE LA CALDERA 25O
9. BASES PARA EL CALCULO AERODINAMICO DE CALDERAS 254
9.1. CALCULO AERODINAMICO 259
10. BASES PARA EL DISEÑO TERMICO EN CALDERAS 273
10.1. CALCULO DE PRUEBA O REDISEÑO DE CALDERA 27g
xt- l_ 1
I0.2. CALCULO DEL HOGAR
11. SISTEMAS DE REGULACION DE CALDERAS
11.1. REGULACION DE LA PRESI.ON DE VAPOR
IL.2. REGULACION DEL COMBIISTIBLE
11.3. REGULACION DEL AIRE DE COMBUSTION
II.4. METODOS Y ESQUEPIAS DE REGULACION DE CARGAY PRESION DE VAPOR
11.4.1. Régimen de Base
11 .4 .'2 . Régimen de Regulación
11.5. REGULACION DEL VACIO (DEPRESION) EN EL HOGAR
11.6. CONTROL DEL SISTEIVIA DE REGULACION DEL AGUA DE
ALIMENTACION DE LA CALDERA (NIVEL DEL DOMO)
T'2. ARRANQUE Y PARAD,,\ DE CALDERAS
12.7. ARRANQUE DE LA CALDERA
12.I.I. Precauciones Antes del Arranque
]-2.1.1.1. Generalidades
L2.1.I.2. Sistema de Alimentación de Agua
72.1.2. Fallas en e1 Arranque
T2.2. PARADA DE LA CALDERA
L2.2.7. Preparación cle una Parada Larga
BIBLIOGRAFIA
Páe.
28I
289
29r
'29r
292
293
293
294
295
295
299
300
300
301
302
307
307
308
311
xiv
LISTA DE TABLAS
Páe.
TABLA 1. AnáIisis Próximo de los CombustiblesColombianos B
TABLA 2. Clasificación cie los Carbones por Rango(ASTM D3BB )
TABLA 3. Comparación <le Datos de Calidad deCarbones Colombianos 11
TABLA 4. Rango de Gravedad API para Fuel OiI 25
TABLA 5. Características Típicas de CombustiblesColombianos para Calderas
TABLA 6. Características de Gases CombustiblesColombianos
TABLA 7. Poder Calorífico Típico de CombustiblesColombianos para Calderas
TABLA B. Temperatura de Fusión de VariosCompues tos
TABLA 9. Factores de Conversión de la MasaCombustible 5 1
TABLA 10. Composición del Aire Seco 72
TABLA 11. Impurezas y Efectos del Agua paraCalderas 235
TABLA 12. Datos Guía para la Calidad del Aguade Calderas 253
TABLA 13. Valores del Coeficiente A Dependiendode la Temperatura de Encaje del Aire 262
10
29
31
JZ
l.')
LISTA DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1. Cambio de la Composición Elemental dela Masa Carburante y del poderCalorífico de los Principales Tiposde Combustible Sólido 5
FIGURA 2. Esquema de Composición del CombustibleSólido 19
FIGURA 3. Esquema Tecnológico de la preparaciónde Combustible Líquido en una planta 24
FIGURA 4. Contenido de Hidrógeno con Base en elFactor de Caracterización Zl
FIGURA 5. Esquema de Suministro de Gas para unaPlanta que Trabaje con Gas Natural 33
FIGURA 6. Red Nacional de Gasoductos 34
FIGURA 7. Campos Productores de Gas 35
FIGURA 8. Areas problema en un Sistema de FuelOil Antes de la Combustión 3g
FIGURA 9. Areas Problema en un Sistema de FuelOil Durante y Después de la Combustión 4L
FIGURA 10. Preparación de Carbón Efectuado enLocal Adyacente a la Sala de Calderas 45
FIGURA 11. Sistema de preparación de Carbón conTolva Intermedia 47
FIGURA L2. Pulverizador de Bolas hg
FIGURA 13. Gráfico O, Versus ROI 6g
FTGURA L4. Determinación Gráfica de la Temperaturade Inflamación y de Combustión 7L
xvi
Pá9.
Efecto del Hollín sobre el Consumode Combustible 75
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
15.
16.
t7.
18.
19.
Diagrama Entalpía de los GasesVersus Temperatura de los Gases
Aparato de Orsat TíPico
Relación entre 02 r C02 Y Exceso deAire
Efecto deI Humo en los Gases, €D laTemperatura de los Mismos, Consumo deFuel y Eficacia de la Combustión
Esquemas Básicos de Generación deVapor
Diagrama de una Planta de Potenciade Vapor Rudimentaria
Circuito de Vapor
Esquemas seneillas de Plantas deGeneración de VaPor
Esquema tecnológico de Produceión deVapor en una Termoeléctrica queTrabaja con Carbón
Generador de Vapor de TiPo Paquete
er Versus Coeficiente de Exceso deALre
83
91
20.
2L.
22.
23.
101
107
LL2
Lt2
113
113
LL4
115
L24
FIGURA 24
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
e4 Versus Coeficiente de Exceso deA|re T26
X qi Versus Coeficiente de Exceso de
Aire r2g
Balance Térmico de una Caldera deVapor I29
Caldera para Calor de Desperdicio l-50
Caldera para Calor de Desperdicio 151
Caldera de Tubos de Humo o Pirotubular 154
Caldera de Caja de Hurno 156xvii
FIGURA 34.
FIGURA 35.
FIGURA 36.
FIGURA 37.
FIGURA
FIGURA
38.
39.
FIGURA
FIGURA
40.
4L.
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
42.
43.
44.
45.
46.
FIGURA
FIGURA,
FIGURA
47.
48.
49.
Caldera Tubular de Retorno
Calderas Verticales de Tubos
Algunos Tipos de CalderasAcuotubulares
Caldera Acuotubular de Tubos PocoInclinados con Recalentador yParrilla Móvi1
Caldera Acuotubular de Tres Domos yTubos de Agua Curvados
Caldera Acuotubular de Tubos MuyInclinados, de Tres Domos r coflRecalentador, Economizador y Equipopara Quemar Petróleo y Bagazo
Caldera de Radiación
Cambio de la Temperatura de los Gasescon Respecto a la A1tura del Hogar deIa Caldera
Domo con Separador
ialdera con Unidad deSobrecalentamiento
Sobrecalentador Colgado
Economizador
Tubos
Calentador de Aire Regenerativo
Cambio en Ia Composición del GasRespecto a la A1tura de la Capa deCombustible
Esquema de Hogar con LanzadorNeumático y Mecánico y la Parrillaen Cadena
Economizadores: a. Integral de FlujoTransversal. b. Flujo Ascendente parauna Caldera de Calor Radiante L78
Calentador de Aire Recuperativo o de
Pág.
L57
de Humo 158
L62
163
163
L64
166
168
169
L70
L7L
176
180
182
185
FIGURA 50.
xvl_r_f_
186
Pág.
FIGURA 51. Quemador Unidireccional en Forma deCaracol para Combustible Sólido
. Pulverizado 189
FIGUR^A, 52. Quemadores de Tipo Ciclón paraCalderas 190
FIGURA 53. Esquema de la Mezcla a la Salida deun Quemador de Caracol 191
FIGURA 54. Quemadores de Cocina de Gas Corrientes 193
FIGURA 55. Quemador de Gas y Nlázux de TipoCoaxial con Suministro Central de Gas L94
FIGURA 56. Método de Combustión en LechoFluidizado 199
FIGURA 57. Fogón con Alimentador Mecánico yParrilla Vibratoria 2Oz
FIGURA 58. Fogón Frimario, Tipo Ciclónico 202
FIGURA 59. Instalación de Quemador para CarbónPulverizado de Fuego Descendente 203
FIGURA 60. Esquema de Circulación Natural 205
FIGURA 61. Esquema del Movimiento del Vapor enuna Caldera con Circulación Natural 205
FIGURA 62. Caldera con Domo de CireulaciónNatural 2O7
FIGURA 63. Circuito de Cireulación Natural enCalderas 208
FIGURA 64. Característica Hidráulica del Circuitode Circulación Natural 2L4
FIGURA 65. Esquema de Circulacíón Forzada 2L6
FIGURA 66. Caldera de Circulación Forzada zLB
FIGURA 67. Principio de Recirculación Forzada deuira Caldera 219
FIGURA 68. Esquema de Circulación Directa 22L
FIGURA 69. Caldera con Circulación Directa 223,, ;1
I xix
Páe-
FIGURA 7O. Solubilidad de l.os PrincipalesParámetros de Sedimentos de Acuerdoa La Temperatura 238
ffbUne 7L. Montaje del Desaireador Térmico: a.De Presión Atmosférica o Elevada b.De Vacío 243
FIGURA 72. Esquema Tecnológico del Proceso deSuavización con Resinas de Na 246
FIGURA 73. Equipo de Evaporación 2.47
FIGURA 74. Esquema del Equipo de Purga 251
FIGURA 75. Esquema de un Sistema de Tratamientode Agua 252
FIGURA 76. Esquema de Tiro Equilibrado en unaPlanta que Trabaja con CarbónPulverizado 256
FIGURA 77. Esquema de Caldera con Sobrepresiónque Trabaja con Gas y Fuel Oil 257
FIGURA 78. Distribución de Presión en el ConductoAire-Gases 257
FIGURA 79. Recomendaciones de Esquemas de AlgunosElementos 264
FIGURA 80. Circulación del Aire y de los Gases deCombustión en un Fogón de TiroEquilibrado 27L
FIGURA 81. Dependencia entre el Calor RecibidoPor Radiación y el Calor Inverso 284
FIGURA 82. Influencia del Angulo s y IaDistancia entre Tubos en el Calorque Llega a las Pantallas de Radiación ZBs
FIGURA 83. Influencia del Angulo u y La
Separación entre Tubos en eI Calor deRadiación 286
FIGURA 84. Principales Canales de Regulación deVariables 29O
FIGURA 85. Bloque Caldera- Turbina Zg4xx
Páe.
FIGURA 86. Regulación de Vacío 295
FTGURA 87 ' fiLTi::'uÍ"uS"llíl'uS"i'i*:;:H'á;a 1a Caldera 296
FIGURA 88. Esquema de Regulación del VaporRecalenta.do 298
FIGURA 89. Tubería Común: a. De Vapor. b. DeBloque 305
FIGURA 90. Esquema de Caldera con Equipo deEnfriamiento y Reducción de Presión 306
xx1
REST'IIEN
E1 presente texto guía ofrece los fundamentos teóricosbásicos para la capacitación acerca de las calderas de
Vapor Industriales y sus Equipos Auxiliares.
Para el desarrollo del proyecto
organízación y clasificación de
Plantas Térmicas dictados por elademás del material investigado
se hizo una recopilación,los diferentes cursos de
Ingeniero Gustavo Ebratt,sobre el tema.
El texto incluye temas tales como: combustibles,combustión, esquemas de generación de vapor, balance
térmico en calderas, tipos de calderas, bases para erdiseño térmico en las calderas, etc. , los euales se
presentan en forma clara y concisa 1o que facilita su
comprensión a las personas que 1o consulten.
xxl-1
0. INTRODUCCION
Más del 50% de Ia energía que se consume en el sector
Industrial se emplea en la producción de vapor para
múltiples usos y aplicaciones. Es de entender que lademanda de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos es
enorme, dando como resultado unas inversiones cuantiosas
que tienen una gran incidencia en el costo final de los
productos acabados o servicios como es el caso de las
Centrales Termoeléctricas, Equipos de Proceso, etc.
Mediante la aplicaeión de buenas técnícas de operación,
control y mantenimiento de las calderas'es posible reducir
consíderablemente los consumos energéticos básicos con los
respectivos ahorros de dinero, vida útil de los equipos,
mejor control de efectos ambientales y desde luego
conservar por más tiempo nuestras ya limitadas reservas de
combustibles.
En una Planta Térmica la energía eléctrica se genera a
partir de la energía quÍmica de que disponen los
combustibles, y la combustión se reaTj-za en el hogar de la
2
caldera. Un grupo generador de vapor de agua o caldera es
una combinación de aparatos que puede constar de cualquiera
o de todos los siguientes equipos o el necesario para
quemar eI combustible : eámara de agua (domos),
sobrecalentadores de vapor, atemperador (dispositivo para
controlar las temperaturas de vapor), economizador,
precalentador de aire, etc. Todos estos equipos combinados
con el empleo de buenas técnicas de operación y diseño
influyen notablemente en la eficiencia final de las
calderas.
Cada uno de estos aspectos Jr otros se desarrollaran de una
manera más detallada en el transcurso de los capitulos.
1. TIPOS DE COMBUSTIBTE Y SUS CARACTERISTICAS
1. 1. CO¡IBUSTIBLE
Un combustible puede definirse como una sustancia cuyo fines principalmente producir energía calorífica alcombinarse químicamente con el oxígeno V formar productos
de Ia combustión a una alta temperatura.
La sustancia orgánica que se usa como carburante durante
su quema no solo ha de desprender calor. Su
aprovechamiento debe ser económicamente racional en las
condiciones dadas, por consiguiente, é1 concepto de
"combustible" es una categoría no solo técnica, sino
también económicd,. y los eonceptos acerca de éste varían a
medida de que se desarrolla la técnica.
En el presente capitulo se examinan los combustibles
orgánicos que se usan en la Industria y Ia Energética. De
acuerdo con su estado, estos se dividen en: sólidos,líquidos y gaseosos ¡ V según el procedimiento. para
obtenerlos, en naturales y artificiales.
4
L.z. cüMBusfrBtES PARA cer,üühes
Una caldera puede quemar una gran variedad de eombustibles'
desde el gas natural hasta materias de desecho.
Los combustibles más comúnmente empleados en calderas son:
Combustibles Sólidos: Carbón, desechos de madera, bagazo,
basuras.
Combustibles Llquidos: Fuel oil No. 6 (A.C.P.M), fuel oil
No. 2, y en el interior del país e1 llamado crudo de
castilla.
Combustibles Gaseosos: Gas natural, propano' butano.'
L-2.L. Propiedades de los Combustibles. Pata cualquier
tipo de combustible es importante conocer su poder
calorífico o calor desprendido por la combustión de una
cantidad unitaria (masa o volumen) de combustible. Puede
ser de dos tipos:
L.2.L.L. Poder Galorífico Superior (Bruto) HIIV o Qs-
Gene.ralmente se determina en el- laboratorio utilízando una
bomba de oxígeno. Considera el agua inicial del
combustible y la formada en la combustión, en eI estado
líquido y a la temperatura de ensayo.
Se representa por las letras HHV y se reporta en MJ/Kg
KJ/Kg. Entonces, el poder calorífico superior indica
cantidad de energÍa calorífica que entrega el carbón en
reacción de combustión completa.
I.2.L.2. Poder Calor Inferior (Neto) LIIV o ei. puede
obtenerse restando aI poder calorífico superior eI calorlatente del agua presente al final de la conbustión.
Se representa por las letras LHV o Qi y se reporta en KJr/Kg
ó MJ/Kg. La Figura 1, ilustra el camblo de composicíón
elemental de la masa carburante y del poder caloríficoinferior de los principales tipos de combustible só1ido.
5
ó
Ia
su
c,x d,% H',96 Vollll.., '6
¡Lc.o 4-*--50 42 0 E5 | 9000 t 7000
IIADERA
TURBA||--IF-r-I t__lIHL E:---
H=
(;ARSOil PARDO
CABBONDEPIEDRA
ANTRACITA hJHH93 2 2 ¡f 34000 87000
Cambio de laCarburantePrincipales
Composición Elemental de la Masay del Poder CalorÍfico de 1osTipos de Combustible Só1ido.
FIGURA 1.
6
I.2.2. Fórmulas: Poder Calorífico Superior e Inferior- En
los dispositivos técnicos el agrta habitualmente Se evacua
en forma de vapor junto con los productos de combustión,
por eso la más de las veees Se operan con el calor inferior
de combustión de la masa de trabajo Qit, para cuya
determinación se tiene en cuenta el gasto de calor pata
evaporar el agua que se forma durante la quema del
combustible. Puesto que un kilogramo de hidrógeno produce
un su combustión nueve kilogramos de agua y la
condensación de un kilogramo de vapor a La temperatura de
20"C, cerca de 2.5 MJ de calor' entonces' en forma
aproximada se tiene:
Qrt = Q¡' * 25 (9¡¡r + wtl (1.1)
Los valores de Ht y Ílt representan eI contenido de flidrógeno
y humedad en porcentaje;. Q poder ealorífico en KJ/Kg. La
dependencia entre el calor de combustión (en MJ/Kg) de un
amplio número de sustancias orgánicas y su composición
elemental (en %) Ia ilustra bien la fórmula de D.I.
MENDELEIEV:
e! =0.34er+j-.03Ht-O.i-l (O,-^9c') -O.O25Wz (1.2)
El calor de combustión de un carburante gaseoso se refiere
ordinariamente a 1m3 de gas seco (el llamado calor inferior
de combustión de Ia masa seca) en condiciones normales y se
calcula aprovechando eI calor de combustión de sus
7
componentes (en KJ/m3) que figuran en calidad de 1os
coeficientes en la siguiente fórmula, siendo multiplicadospor cien:
Qrd = 358. 2 eH'+637 .5 e2H6+gL},5 esíe-590 .6 CzH4+7 tt.7 C#^
126.4CO + L08.0 Hz + 234HzS
Aquí CH4, CIHó, etc., son los componentes
del gas en tanto por ciento de1 volumen.
(1.31
correspondientes
I..3. ANALISIS DE CARBONES
Dos son los tipos de análisis comúnmente empleados para
carbones:
1.3.1. Análisis Próximo- rncruye los siguientes términos
como porcentajes en peso: humedad, material volátiI,cenizas y carbono fijo. Se acostumbra incluir es este tipode análisis el porcentaje en peso de azufre y el Qs que se
efectúan por separado. En la Tabla L, se muestra elanálisis próximo de los combustibtes colombianos.
L.3.2. Análisis ultimo. se denomina también composición
eremental. rncluye el porcentaje en peso de los siguienteselementos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre,también se incluye el contenido de cenizas y humedad libre.
8
TABLA 1. Aná1isis PróximoColombianos.
1os Combustibles
h.omH
q¡[c[$ -fAJAs H;H'AD T CHIru T TTTT¡IAI, CIE|N|}
tü.tilt r HJo rAZürH mU fl,ñIt.f,tfiU
CAIÍIXIEC(I
$t[tt0r
I Cerrejón
2 [a Jagua de Ibiricd3 San Jacinto
4 Ciénaga de 0ro
5 Urabá
6 San Jorge
7 Taraza-Río llan
I Puri - Cacerí
9 Anagá - Sopetrán
11
2 ,4-10. 6
I .0-11 ,9
0.9
li-20l3-19
3. i-11.4
Riosucio 2.4
Quinchia 1.3-6,9
Tadé 0.03-2,8
Catatunbo
Zuiia 1.4-9,9
Panplona Doña Juana 0.5-10
Ioledo 0,5-1.2
üutiscua
Párano del aluorzadero 1.8
l{iranda - llolagavita 0.8
san I'icente lebríja 0,1-1.i
landázuri 0,8-2
Chiunocla - Jericó
Tunja Duitana 2,2-1.,6
a) Guachetá Sanaoá
b) Cogua - Guachetá 0.1-6,4
Sueva laguna ]a Tota 5.27
[a Bolsa - Chocontá 2,4-4,8
26 Río Frío 6-1
21 Pubenza Dindal 1,73
28 Subachoque-la Pradera 1.3-1.6
29 Pusagasuga - EI Salto 1,6-2,6
30 Guatiquía
31 Territorio Vásquez
32 ftnbo Suarez
33 Suarez Dinde
34 llerc¿deres
1.6
1,4-1.7
I . 8-13. IIN
;-;,3-li
1.2-6,2
1.8-4,3
8,2-15
2 , 4-11 .3
I .8-10
l, /-tu1,2-3 , 7
8.0
4 ,4-58
2-r26-r0. 7
4-5 .8
5-14
2 .4-32 . I0. 0J
3-7. I
4,3-6
r.7-7.3
6-7 ,3
5.5-6
30
12.2-53. I
34.39
18 , s-39 ,8
38 .6-46 .3
I+2.5
3l-40
32'40
29 .7-47 . 9
30. r-42.2
20 ,6-35 , 7
4t,6-ü,7
30-43
31-38
31,5-4i,2
32-38
3l ,5
14,v-J4.J
4-18
36-45
38-54
2ú-38
20-38 .4
38-59
33-40
2t,6-22.2
2 l-44 .8
3l-34.6
3i-38
28
22 , ó-38
65-60
3l-58
38 .6-44 ,2
'11
^;-; ^J4.4J
41.9-59.2
36-59
n-64,345 ,3-5 1, 5
59-61
40-57
48-68
92, 5
60
3[.1-72.r76-90
44-51
31-52
48-66
45 , 7-75 ,6
43-55
il-i4,652.3-75 . 5
60-62
52 ,3-53 , 5
_:_-
0.35-r 7.0-8.0
0 .2-4 ,0 4 .0-7 .4
4 ,4-8 ,3 5 .0-5.9
3.96 7. I
5. 1-5. I5.0-5 , I
0.4-1,2 5.1-ó,3
4.5-7,0
5. 5-7 .0
3-3.5 i. I
0,6-1,7 7,5-8,1
0,3-6,0 7,2-8.5
0.6-2,3 7,8-8,4
5.5-é,5
0,6 8.2
0.65 7,8
0.6-ó,6 4.4-8.2
0.6-1,2 7.0-8,0
0.8-13 7.4-8.0
l-1,2 6.1-7,2
0.5-1.2 6,0-8,0
0.3-3,0 5,4-8.5
1.10 6.9
0.5-1.8 6.8-7.5
0.4-2.4 7.3-7,8
0.7 5.ó-8,2^r ^^
ttt^u.0-u., /./-t,t0,5-0,7 7,0-7,3
1,2-4.8
Bituninoso
Bituninoso
Subbituninoso
Bituninoso
Subbituninoso
Subbituninoso
Subbituninoso
Bitunoso
Subbituninoso
Bituninoso
Bituninoso
Bituuinoso?
Subbituninoso
Bitunoso
Bituninoso
Subbituninoso
Bitunnoso
Subbituninoso
SeniantracitiAntracítico
Subbituninoso
Bitunoso
Bituninoso
Seniantraci
Bituninoso
Subbitr¡nonoso
Bituninoso
Bituninoso
Bituninoso
Subbituninoso
Bittuoso
Bituninoso
Subbituninoso
Bituninoso
Bituninoso
Bituninoso?
Subbitminoso
Bitunoso
L
1l
t2
l3
l4
l5
l6
t7
l8
l9
20
2l
23
24
25
---- Lignitos
Fuente: NIÑO RAFAEL. Tablas de Combustibles Golombaanos.
9
1.4. CLASIFICACION DE LOS CARBONES
Los carbones se clasifican con objeto de identificar su uso
final y también para proporcionar información útil para
especificar y seleccionar el equipo de manejo y quemado, y
en el diseño y disposición de las superficies de
transferencia de calor.
una forma de clasificar el earbón es por rango, €s decir,de acuerdo con el grado de metamorfismo o alteraciónprogresiva, en la serie natural desde el lignito hasta laantracita. En algunas clasificaciones el criterio básico
es el contenido de carbono fijo y los varores caloríficos,carculados, consíderándolos ribres de material mineral.
En el establecimiento del rango de los carbonesr €s
necesario utirízar información que muestre una variaciónapreciable y sistemática con la edad. para los carbones
más viejos, un buen criterio es "carbón fijo seco y librede minerares o materiar volátir", sin embargo, este valorno es adecuado para designar el rango de los carbones más
jóvenes. un medio confiable es clasificar "KJlKg delcarbón libre de material mineral húmedo" o valor caloríficoque varía poco en los carbones más jóvenes.
La Tabla 2, muestra Ia clasificación de
rango (ASTM D388) y en la Tabla 3,
los
se
carbones por
hace una
Univctsidad Aut0noma Ce Occidenle
SECCION BIBLIOl E(jA
10
comparación de calidad de carbones colombianos.
TABLA 2. Clasificación de los Carbones por Rango (ASTM
D38B ) .
I,IüINS D[ Gil¡fl0IIJ0, r F$E SECA
I,I!T[ DE TAÍIIITrrüExArl
I,IIIÍIS IE HIITIA I,ITIÍIS DE TTP{}X
t0l¡TlL, t (mSE .AIíIIIFIO' c¡Ugr
$EC¡l, l,El[ D[ (X¡lS[ ilIAA' LIIIE
rArlxil ilxElil.) l¡E ürruA ilrHAt)
flUTl¡
Igual a, o
rat0r qüe Hlr seIgul a, o
l¡t0r qüe für $e
l4
31
Igual r o
rator ss reillr $rc
Garácter
aglmrante
l{o Agloner.
l{o Agioner,
Conún aglon,
Conún aglon.
Conún aglon,
Conún aglon.
Couún aglon.
Aglonerante
No agloner,
l{o agloner.
l{o agloner,
llo agiener.
l{o agloner.
l.üeta-anIracita
2,Antracita
3. Seniantracita
lLBIItIlfitl0S0 LCarbónbitr¡ninoso
volátil bajo
2,Carbón bitunínoso
volátii nedio
3.Carbén bituuinoso A
volátil alto4,Carbón bituninoso B
volátil alto5.Carbtún bituuinoso C
volátil aito
l.tignito A
2.l,igrito B
'tL
96
78
69
86
78
69
.L
8
J.¡
IILSUBBITAüI- l.Carbón A subbitaninoso --l{0S0 2.Garbón I subbitauinoso --
3.Carbón C subbitaninoso --
7780
tt4nilLU
6380
5830
5830
5280
4610
tr:l
7780
30232
ó380
6380
5830
5280
4ó10
3500Il|.tIGilITiCO
nte: nua nten miento ustr ÍlL, omo
1.5. FORMACION DE ESCORIA
Puede considerarse la escoria como una masa dura de ceniza'
carbón fino y cenizas fundidas, qrte obstruyen las parrillas
de la caldera y reducen el paso de aire. La formación de
escoria es causada entre otros por los siguientes factores:
TABLA 3. Comparaeión de DatosColombianos.
11
de Calidad de Carbones
PARAUETROS CERREJON ZOI{A CTffDINAIIARC,AZONA I{ORTE CENTRO BOYACA
NORTE DE ANTIOQUIASANTAIIDER
Humedad (%)
Cenizas (%)
Vo1áti1es
HHv (Btu/lb
9.2
8.0
34.9
1 1900
8.2
8.3
34 .0
12200
9.0
16 .9
26.3
1 1200
9.0
8.2
35 .7
12500
8.8
12 .3
36 .4
9800Fuente: "lJl_vl_sl-on AnáIj-sis y Proceso deI Carbón".
CARBoCOL,1984.
1. El punto de fusión de las cenizas mínimo aceptable
es de 1300"C, por debajo de este valor es propenso a
formar gran cantidad de escoria.
2. El mayor espesor del lecho puede crear condiciones
reductoras. Los sulfuros del hierro, de bajo punto de
fusión, no pueden oxidarse y formar óxidos de hierro de
un alto punto de fusión.
3. La eeníza fundida o blanda se adhiere más fácilmente a
las superficies calientes que a las frías y en
consecuencia un enfriamiento con agua previene este
fenómeno.
4- Los carbones menudos y sucios con alto contenido de
hierro y azufte son más propensos a producir escoria.
t2
1.6. COMPOSTCTON
COMBUSTIBLE
Y CARACTERISTICAS
SOLIDO
PRTNCIPALES DEL
Los combustibles sólidos minerales (a excepción de los
esquistos ) son produetos de deseomposición de la masa
orgánica de las Plantas.
El más joven de estos combustibles es la turba que
representa una masa densa producto de la descomposición de
restos vegetales de los pantanos. Le siguen por su "edad'f
los lignitos que tienen el aspecto de una masa homogénea o
térrea que en el caso de una permanencia prolongada al aire
se oxida parcialmente "se erosiona" y se hace polvo. Luego
siguen los carbones minerales que tienen, Pot 1o general
una resistencia mecánica elevada y una porosidad menor.
La masa orgánica de los carbones más viejos, de éstos la
antracita, han sufrido mayores cambios y se compone
aproximadamente del 93% de carbono. La antracita se
destaca por su alta dureza.
El combustible
parte en elpequeña, pero
frecuencia sus
combustible.
duro renovable es Ia
balance energético
en algunas regiones
desechos ) todavía
madera. Hoy en día su
mundial es sumamente
La madera (v con más
se usa en calidad de
13
Las propiedades del combustible se deben a su composición
en estado seco y sin cenizas (se designa con el índicerrdaf rr ) en el cual se incluyen los elementos que forman lamasa orgánica del combustible y el azufre de piritas.que se
que se quema junto con la masa orgánica.
Puesto que Ia composición química del combustible sólido es
complicada y ordinariamente desconocida, esta se
caracteriza por el contenido en masa de los elementos que
la forman, €D tanto por ciento, eu€ se determina mediante
análisis elemental.
Cüt + ¡7dat * ¡daf * 5f;, = lOOt (1.4)
Donde S^ : Contenido de azufre combustible.
En un combustible orgánico 1o que propiamente dicho entra
en ignición es carbono, hidrógeno y azufre. Con el aumento
de la edad de1 combustible crece el contenido de ,carbono
(desde 4O% en la madera hasta 93% en la antracita) y el del
hidrógeno algo disminuye del 6"/" aL 2%.
El oxígeno aI igual que los demás elementos constitutivosen estado seco sin cenizas se encuentra en forma de
compuestos orgánicos complicados. Cuanto mayor cantidad de
oxígeno contengan éstos tanto mayor será la parte de
L4
hidrógeno y carbono del combustible que estará químicamente
ligado con aquél, es decir, €D realidad ya está quemada y
tanto menor será la cantidad de calor desprendida durante
la combustión por uni-dad de masa. Con el aumento de la
edad del combustible odaf disminuye desde el 42% en Ia
madera hasta el 2% en la antracita.
Cuando el carbono se quema por completo se forma anhídrido
carbónico (CO2) relativamente inofensivo y se desprende
32.8 MJ de calor por L Kg de carbono. Cuando el proceso de
combustión se desarrolla incorrecto (o sea con escasez de
aire), el producto de combustión es el monóxido de carbono
CO, muy tóxico, y sé desprenden solo 9.2 MJ de calor.
En el caso de la combustión del azufre se forma anhídrido
sulfuroso SOI tóxico (en pequeñas cantidades) y anhídrido
sulfúrico SO, aún más tóxico. Su desprendimiento junto con
los productos de 1a combustión contamina 1a atmósfera
ambiente. La eantidad de azufre que contiene la masa
orgáníca del combustible (el llamado azufre orgánico todtt)
no depende de la edad del carbón, es diferente en carbón y
en carbones de distintos yacimientos.
La cantidad de azufre de piritas Sdtfoi, depende de la
composición de la parte mineral que puede contener pirita
de hierro FeS2 y pirita de Cobre CuFeSr.
L5
EI contenido de nitrógeno en los diferentes tipos de
combustible sólido, encontrándose este en estado seco y sin
cenizas, habitualmente es del orden del L% aL 2% según Ia
masa. A pesar de su contenido tan pequeño, el nitrógeno es
un componente muy nocivo puesto que en hogares de
temperaturas altas se forman los óxidos NO y NO, altamente
tóxicos (estos se forman también a partir de nitrógeno
atmosférico, pero en menor grado).
El combustible en la forma en
las unidades técnicas r s€
funcional (índice rf r'r ).
Forman parte de éste
constituyen una carga
que se encuentre, se quema en
caracteriza por su estado
la ceníza (A) y La humedad (1't) que
inútil del combustible:
Q' + Ht + Or +IV¡ +.5r + Ar + Wt = L00t
cenizas se calcula fácilmente conociendo
funcional de la relación evidente:
(1.s)
El contenido de cualquier elemento Edaf en estado seco y sin
Er en estado
.ger(1oo - wr - Ar) = l.oo.Er
1.6.1. Humedad. Es else halla en equilibrio
agua que contiene
con Ia humedad del
(1.6)
eI carbón y que
medio ambiente.
16
La humedad de1 combustible se detqrmina de acuerdo con los
estándares estatales mediante el secado de una porción
secada de 105'C a 110'c. Se usa también el procedimiento
aeelerado de determinar La humedad, secando combustible a
160"C. La humedad máxima en estado funeional llr aLeanza
un 50% y más, y por ella se determina la conveniencia
económica de usar dicho material eombustible y Ia
posibilidad de quema del mismo.
Los combustibles presentan humedad interna y externa. La
interna está relacionada con uniones coloidales y
moleculares del combustible. La humedad externa está
relacionada con el proceso de explotación y transporte.
1.6.1.1. Consecuencias de la Humedad para el Combustible.
Las principales consecuencias que se pueden presentar son:
1. Disminuye el poder calorífico, a mayor humedad menor
porcentaje de carbono e hidrógeno.
Dificulta la quema del combustible.
Aumenta los gastos de1 combustible.
4- Aumenta el gasto de energía de los ventiladores.
2-
3-
L.6.2. Cenizas. Son material no combustible contenido en
L7
el carbón. Las cenizas incluyen las impurezas minerales
traídas por el agua o el aire en período de formación de
los estratos del combustible o simplemente las partículas
de rocas arrancadas junto con éste durante la extracción.
Una cantidad pequeña de impurezas minerales (no más del L%
al 2%) forman parte de la composición de las Plantas a
parXír de las cuales se formó el eombustible.
AI quemar el combustible en estados seco, su parte mineral
también sufre transformaciones que dependen de las
condiciones de la combustión.
El contenido de cenizas en un combustible en estado seco Ad
se determina mediante la calcinación a una temperatura de
800"C a 825'C (500'C para combustibles líquidos) de una
muestra secada hasta que termine la reducción de su masa.
El eontenido de cenizas de La masa de trabajo se calcula
según la fórmula:
100Ar = (roo - tÍ'lAd (r.7 )
De aeuerdo con las normas sanitarias existentes después de
la quema de1 combustible es necesario recoger las cenizas
que se forman y transportarlas a las escombreras 1o que
complica y hace más cara la producción. Estos suelen ser
algunos tipos de combustible duro (en primer lugar la
18
madera, La turba, los carbones
contenido de cenizas en estado
de algunos estratos) cuyo
seco Ad no supera el Lo%.
EI valor máximo de Rd aLcanza el 50% y más, puesto que la
mayor parte de cenizas no están vinculadas con la masa
orgánica.
Al calentar el combustible sólido sin acceso de1 airer su
masa orgánica se descompone a consecuencia de la formación
de gases, vapores de agua y alquitrán y residuo que
contiene carbono.
1.6.3. Sustancias Volátiles. La cantidad total de
sustancias voláti1es que se desprenden aumenta con el
ascenso de la temperatura y la duración.del proceso. Este
proceso termina en 1o fundamental entre 700'C a 800'C.
E1 rendimiento de los volátiles ydaf expresado en
porcentaje, en estado seco y sin cenizas se determina
calcinando un gramo de combustible en un crisol cerrado a
850'C + l0oc durante siete minutos. El rendim:i,ento de los
volátíles es una de las características más importantes
del combustible y decrece con el aumento de su edad.
Cuanto mayor sea eI rendimiento de los volátiles, es decir,
cuanto mayor sea la cantidad de masa seca y sin cenizas que
Se t,ransforma en gas combustible durante el calentamiento
tanto más fácil será encender este combustible y tanto más
19
fácil mantener su quema estable.
La determinación del contenido de cenizas, de la humedad
de1 rendimiento de los volátiles y del calor de combustión
constituye el contenido del llamado análisis técnico de
eombustible. A veces éste incluye también el contenido
del carbono no volátil llamado también residuo no volátilsin cenizas (NV), al que teniendo en cuenta, por ejemplo su
estado seco sin cenizas r €s igual ai
(rrv)yt) = (too - vaar¡ ¡
La Figura 2, muestra un esquema
combustible sólido.
HUMEDAD
EsquemaSolido.
(1.8)
de composición de1
SUSTANCIAS VOLATILESPARTE CARBURAT\¡TE PAFTE QUE NO SE
VAPOR DEAGUA
RESTDUOSsoltDos
MASA ORGANIGA
MASA CARBURANTE
FIGURA 2. de Composición de1 Combustible
20
I.7. CARACTERISTICAS GENERALES
LOS TIPOS DE CALDERAS DE
DEL COMBÜSTIBLE PARA TODOS
PARRILLA
Humedad. Aceptan un amplio rango, aunque el máximo
recomendable es de L2%.
Materias Volátiles. Aceptan amplio rango y se pueden
quemar, mezcLas y hasta finos de coque, Sí se requiere
quemar materias primas como la antracita o el lignito(carbón de color pardo negruzco, el más joven de los
earbones y en consecuencia de bajo poder calorífico por
su Eran contenido de agua), solamente son necesarías
ciertas adaptaciones en el diseño.
Cenizas. Exceptuando la caldera de parríLLa de
alimentación ascendente, los demás tipos, aceptan
carbones con un máximo gue va de un L2% a u¡ L8% y en
algunos casos más.
Poder Aglutinante. Carbones con un alto poder
aglutinante (como 1os medio volátil)' no son aceptables
solos, pero si en cierto grado de mezclas. Las calderas
más flexibles son las de parrilla móvil. Todas pueden
aceptar carbones con algo de poder aglutinante.
Granulometría. Por 1o general no aceptan un alto
contenido de finos bajo 3 mm, siendo el valor máximo
recomendado un contenido
las calderas de parrilla
45% bajo 3 mm.
2L
del 20% bajo 3 mm exceptuando
móvil que aceptan entre 35% y
Indice de Hardgrove. Este índice es especialmente
importante pata carbones térmicos que van a ser
sometidos a un proceso de molienda, pues es un
indicativo del grado de facilidad que el earbón presenta
a dicho proceso.
Carbones con índices de Hardgrove superiores a 7O, son
carbones muy pulverizados que tienen el inconveniente de
desintegrarse fácilmente, inclu,so en los procesos de
manejo, carga, descarga, etc., con el inconveniente de que
pueden producirse finos en exceso que alcanzan algunas
veees a causar atascamiento en las tolvas.
El límite inferior del índice de Hardgrove está entre 48 y
43 dependiendo del poder ealorífico, pero para índices
menores de 45 la dificultad de la molienda es tal que es
posible que afecte Ia capacidad de molienda llegando a
significar una reducción en la carga de la caldera y un
mayor trabajo para la trituración.
En eI caso de las calderas de parrilla el índice
Hardgrove no tiene mucha importancia porque eI carbón
hay que pulverizarlo (1o mismo eI índice de abrasión).
de
no
22
1.8. CO}IPOSICION Y CARACTERISTICAS
COITIBUSTIBLE LIQUIDO
PRINCIPALES DEL
Los principales combustibles 1íquidos son derivados deI
petróleo.
El petróleo crudo se calienta de hasta 300'C y 370oC,
después de que los vapores obtenidos se separan en
fracciones que se condensan a diferentes temperaturas tcond:
gas lícuado (rendimiento cerca del L%); fracción de gasoil
(cerca del L5%, tc'n = 30oC...180'C); la de Kerosene (cerca
del I77"; tcond = 180oC...350'C). El residuo líquido que
comienza a hervir a 1a temperatura de 330'C a 350'C se
1lama mazút ( fuel oi1 ) . Las fracciones indicadas sirven de
materia príma inicial para obtener lubricantes y
carburantes para motores de combustión interna o para
instalaciones de turbina a gas.
Una gran cantidad de mazút (con ciertas adiciones) se
utiliza en calidad de combustible. E1 mazút representa una
mezcla complicada de hidrocarburos 1íquidos, €o cuya
composición entran en 1o fundamental carbono (Cr = 84% al
86%') e hidrógeno (Hr = 10% al Lz%'t.
Los mazutes que se obtienen del petróIeo de una serie de
depósitos petrolíferos pueden contener mucho azufte de
hasta 4.3%, 1o que implica sensiblemente la protección del
de los efectos
23
de laequipo y del medio amb j-ente
combustión.
El contenido de cenizas en el fuel oil no
O.L4%, mientras que el contenido de agua
mayor del L.5%.
ha
no
de superar eltiene que ser
Los compuestos de vanadio, níqueI, hierro, y otros metales
forman parte de las cenizas por 1o que estas se usan con
frecuencia en calidad de materia prima para extraer, por
ejemplo, €1 vanadio.
La Figura 3, muestra eI esquema tecnológico
preparación de combustible líquido en una Planta.
1.8.1. Propiedades de Combustibles Líquidos. Desde elpunto de vista práctico solo importa conocer los elementos
y la proporción en que intervienen en la combustión. Lo
anterior es posible mediante la determinación de ciertaspropiedades físicas comunes, tales como !
1.8.1.1. Densidad. Puede expresarse en dos escalas. La
"gravedad específica" denominada por la letra G, definidacomo la relación entre el peso de un volumen igual de agua
a Ia misma temperatura.
1a
En la Industria del petróleo la densidad American petroleum
24
Institute
calibrada
por medio
(API) es más utilizada. Es una escala
en grados y que relaciona la gravedad
de la fórmula:
Grados API = # -, 13i-,s
arbitraria
específica
(1.e)
I
I
I
t-I
I
I
I
I
I
I
L
6
REI-ACION DE PARTES: 1. Tanque con fuel oil; 2. Tubería do suministro;3. Filto delimpicza;4. Tanquo con precalentami.onto; 5. Bomba; 6. Tanque principal; 7,8,19.Uneas de recirculación; 9. Bomba de la primera etapa; 10. Válvula dc no retorno;11. Pieéalontador de fuel oil; 12. Filtro fino; 13. Bomba de la segunda otapa; i4.Válwla; 15. Begulador de f,ujo; 16. Medidor de ñujo; 17. Vávula antes de losquemadores; 18. Atomizadores.
FIGURA 3. Esquema Tecnológico de 1a Preparación deCombustible Líquido en una Planta.
I
I
I
25
La Tabla 4, presenta los rangos de gravedad API para los
diferentes tipos de fuel oil.
TABLA 4. Rango de Gravedad API para Fuel Oil.
TIPO RANGO DE GRAVEDAD API
No. 2
No. 4
No. 5
No. 6
29"
24"
160
60
39"
29"
22"
15"
Improvement , 198 1 .
I.8.I-2. Viscosidad. Es la medida de Ia resistencia
interna de un líquido a fluir. Para evaluar numéricamente
la viscosidad de combustibles se util-j-za e1 viscosímetro
cinemático directo cuya unidad de medición es el Centistoke
(CST) y el viscosímetro Saybolt cuyas unidades de medición
son el Segundo Saybolt Universal (SSU) y el Segundo Daybolt
Furol (SSF).
Desde el punto de vista del control de eficiencia de lacombustión es importante tener en cuenta que Ia presencia
de agua emulsificada (proveniente de condensación, escapes,
acción bacteriana) incrementa la viscosidad de1
combustible.
1.8.1.3. Punto de Inflamacíón. Es la mínima temperatura
a 1a cual existen suficientes vapores del 1íquido para
26
crear una mezcla de aire y combustible que arda por algunos
segundos en presencia de una llama.
1.8.1.4. Destilación. Esta característica se basa en la
destílación de un volumen de 100 .*3 de "orb,r=tiUt* y
determinación sucesiva del porcentaje de recuperado y la
temperatura correspondiente. En general, esta prueba
determina el rango de temperatura dentro del cual ebulle
dicho combustible. E1 50% de esta destilación puede
tomarse como e1 !'punto de ebullición medio" que es la
temperatura a la cual se ha evaporado e1 50% de la masa.
1.8.2. Análisis de Combustibles Líquidos. Mediante
correlaeión de propiedades físicas la Universal Oi1
Products Company, establece una caracterizaci-ón del
petróleo y sus derivados basándose en que los hidrocarburos
parafínicos de más alto contenido de hidrógeno siendo un
punto de referencia y los hidrocarburos aromátieos de
mínimo contenido de Hidrógeno el otro punto.
El factor de caracterización (U.O.P) fue definido
función de la gravedad especí f i-'ca G y e1 punto
ebullición medio (T.e.m) :
en
de
3nv_ vT.nlG
Factor de caracterj-zacíón U.O.P.Donde K:
(1.10)
T. e.m
G
27
Temperatura de ebullición media (R) a 1 atm.
Gravedad específica a 60'F.
I0.0 I0.5 il.(l lt.s |2.0
FACTOR DE CARACTERIZACION, K
Contenido de Hidrógeno con Base en el Factorde Caracterj-zaei-ón.
La propiedad anterior permite calcular e1 contenido
hidrógeno de un combustible (libre de azufre), mediante
utílización de Ia Figura 4.
100.;.
{00.f.500.f.
t0trF.t00.Í.
000.t.e00.t.
r000.;. (53t
de
1a
10
oot¡Je.zl¡¡
Il¡¡o*
FIGURA 4.
28
1.8.3. Clases de Combustibles Líquidos Empleados en
Calderas. Los combustibles 1íquidos de mayor utilización
en calderas en la actualidad, sean puros o mezclados son
los siguientes:
Kerosene.
g).
Combustó1eo No. 3, (F.O. No. 4).
CombustóIeo No. 6, ( F. O. lüo. 6 )
Crudo de castilla.
El kerosene y el A.C.P.M., constituyen fracciones de La
destilación en refinería y son por lo tanto combustibl,es de
fáci1 quemado. EI combustóleo No. 3 y No. 6, son
eombustibles residuales utilizados en quemadores de tipo
industrial. Los más pesados requieren para su manejo y
aXomización un precalentamiento previo.
El crudo de castilla es el petróleo crudo proveniente de
los llanos orientales, de tipo pesado, €1 cual es sometj-do
a tratamientos previos de deshidratación en frío por medio
de aditivos para posteriormente utíLízarlo directamente o
mezclado como combustible para quemadores industriales y
29
calderas.
La Tabla 5,
Combustibles
presenta las características Típicas
colonibianos para calderas.
de
TABLA 5. Características Típicas deColombianos para Calderas.
Combustibles
CABACTENISTIOAS XEEOSEI¡E A-C.-P-H COHBTISI1OLEO COüBUSTOLEO CEI'DO DE COIIBUSTOLEOilo-3 l¡o-6CASTIL¡.A
Gravedad API
Azufre, z peso
CeDizeE, X pero
oPunto de f].uidez,
vissosidad cst (1O¿csr ( 122
Punto:lnflaMc1óD (
AguaysedLE,xwoL
Met (PPM), Vanadio
37.9 30
0.141 0.5
o.o o.o
29 .3
c
1 .5 2.5
32
óo
131 140
o,5 2.O
F
oF)
oF)
0F) L49
13 .3
2-2
o. 09
60
13 60664
82
3209932
2
4.6
1.96
o.1
33,a
116 6535
170.6
Nlquel.Hi erroS odLo
oDeEti].acl.ón ( F), inic
50*Punto fina]-
IIHV ( Btu,/ga1 ) 13966O 15020¿ t52977
Fuente: ECOPETROL, Departamento de Ingeniería de procesos.
1.9. COMPOSICION Y CARACTERISTICAS
COII{BUSTIBLE GASEOSO
PRINCIPALES
Entre las especies de combustibles gaseosos se encuentra en
primer Lugar el gas natural. Su componente principal es elmetano CH¿, además el gas de diferentes yacimientos contiene
pequeñas cantidades de hidrógeno HZ, nitrógeno N2,
330r20
33
¿53572661
¡ffiÉ@.-';
I Univcrsidad Antútoma de 0ccidente
I srccloN BlBLlol'EcA!.-_-_-_
30
hidrocarburos s.rp"riot"" CoH,, monóxido de carbono CO y
bióxido de carbono COr.
El 9570 de gas natural producido en Colombia se utiliza como
combustible en hornos y calderas liberando un promedio de
57000 Bxu/día de combust.óleo, A. C. P.M. y otros combustibles
1íquidos.
La disponibilidad de combustibles gaseosos depende de las
reservas que se tengan de gas natural.
Colombia cuenta con campos de Bas, con reservas probadas en
1as siguientes za¡asl
Zona de Ia Costa Norte y e1 Va1le inferior del río
Magdalena, que tiene los campos de La Guajíra, el
Difíci1 y otros, gü€ poseen el 81-% de las reservas.
Zona Central, integrada por los campos de Pagoa,
Provincia y los del Distrito de Producción de la
Empresa Colombiana de Petróleos (ECOPETROL), con eL 2L%
de las reservas.
1.
2-
r10
las
3. Zona del
el 4% de
ZuLía, con los campos Barco y ZuLia; con
reservas.
4. Zona de1 Alto Magdalena, con los campos de Tello.
En la Tabla 6,
combustibles.
TABTA 6.
se presentan 1as
31
características de gases
CaracterísticasComlombianos.
de Gases Combustibles
COMPONENTES GAS DE LAGUAJIRA
GAS DE PAGOAY PROVINCIA
Metano (% M)
Etano
Propano
Isobutano
n-Butano
Bióxido de Carbono
Nitrógeno
Gravedad Específica
HHV (Btu/pie3)
Peso Molecular (Lblmol)
97 .OO
2 .20
0. 10
0.40
0.30
o.572
1023
16.6
90.60
7 .60
0.80
o .20
0.10
0.40
0.30
0.610
1082
L7.66
Fuente: EcoPETRoL, Departamento de rngeniería de procesos.
Por considerarlo de interés r €Íl la Tabla 7 , se incluye
e1 poder calorífico de los principales combustibles
empleados en Colombia para calderas.
La Figura 5, muestra un esquema
una planta que trabaje con gas
red nacional de gasoductos y
productores de gas.
de suministro de gas para
neutral, la Figura 6, lala Figura 7 los campos
32
TABLA 7. Poder Calorífico TípicoColombianos para Calderas.
de Combustibles
COT{BUSTIBLE PODER CALORIFICO SUPERIOR
lR.c.P.M (F.o. No.6)lcombustóleo No. 3 (F.o. No.
lCombustóleo No. 6 (F.O. No.t'Kerosene
lcrudo de CastillaI'Gas Guajiralcr" (Pagoa y Provincia)2Carbón de: Cerrejón Norte
Cerrejón Central
139660 Bxu/caT.
L52977 Bxu/gaL.
L52977 Btu/gaL.
L52977 Btu/gal.L52977 Bxu/g:aL.
LO23 Btu/pie3.
1082 Btu/pier.
11900 Bxu/Lb.
11200 Btu/Lb.
11200 Btu/Lb.
12500 Btu/Lb.
12500 Bru/Lb
CALORIFICO INFERIOR
2882 RcaL /Kg .
3865 Kcal/Kg.
3939 Kcal/Kg.
1820 K-caL/Kg.
' 277l- Kcal/Kg.
4',,
6)
Cundinamarca y Boyacá
Norte de Santander
Antioquia3 combustibles Residuales
Cascarilla de Arroz
Cascarilla de Café
Palma Africana
Bagazo
Bagacillo
PODER
Fuente , lnCOpntROL, Departamento de Ingeniería de Procesos.
2cRReocol-, División de Procesos y DesarrolloTécnico
3con¡zelns J. , MoRENo A. "Posibilidad de
Implementación de Residuos Agroindustriales comoCombustibles". Proyecto de Grado UniversidadNacional.
I
t__
RELACION DE PARTE$: l. Llnea dc gae prlndpa¡; 2. Vályu¡a do p¡3o con mandoo¡óctilco; 3. Válvula ds p¡so; 4. Flltro; 5. Rcgulador rtc prcelón; 6. Vllvr¡l¡ fts scgurld¡d;7. Baypae; 6. ftlodlttot de flulo: 8. compüortr dct rogul.dol dc flülo üc ger; lo. yi¡vu¡ado acdón ráplda: tl. yálwta do rogutaclón: 12. Ltavc do prucbr; ro. Eicapc do gar doprusba; 14. G¡ücmadoroq 15. Lfne¡ de 3ümlnlstto ds alre comptlmldo para lhplczl dctgasoducto; 1C. Sumlnlstro dc g¡s ¡l encendcdor del quemadol.
Esquema de Suministro de Gas para una plantaque Trabaje con Gas Natural.
33
¡
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
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15
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
FIGURA 5.
34
SUBSISTEIIA COSTA ATLANTICA
I
,
I
I
I
II
lrnrrtrrr¡ j9F¡nr na
SUBSISTEMA CENTRO800aro¡o
SUBSISTEftIA
SUES¡STEiIA NORTE HUIL,A
GONVENGIOINES:
Tronc¡l cxlst.nte
-.'Troncalaconst?uh
: Sub¡lstoma axlstento
FIGURA 6. Red Nacional de Gasoductos.
35
ir¡ I..LB¡ rra {rllb
FIGURA 7. Campos Productores de Gas.
36
1.10. I{ANEJO Y TRATATTIIENTO DE COIIBUSTIBLES PARA CALDERAS
Los combustibles y aceites que Se consiguen en el mercado
son tratados (al menos parcialmente) con aditivos por parte
de las compañías productoras. Tal vez, los ejemplos más
conocidos son la gasolina extra, 9U€ es tratada con
tetraetil plomo para mejorar su octanaje' y aceites para
automotores gue usan polímeros que mejoran la viscosidad.
Entre muchos de los aditivos que usan las compañías
productoras de combustibles Se pueden mencionar los
antioxidantes, deactivadores metálicos ' inhibidores de
corrosión, mejoradores de conductividad, dispersanteS'
caXaLizadores de combustión, depresores de1 punto de
escurrimiento y mejo.radores del número cetano y octano.
Puesto que todos los combustibles para calderas difieren en
muchas características, cada uno debe Ser tratado
individualmente de acuerdo a su problema específico.
Debido a las fltrctuaciones tanto de precio como de
suministro muchos usuarios, han incrementado la capacidad
y tiempo de almacenamiento, 10 que implica implementar
aditivos a los combustibles para evitar deterioros y
cambios de sus características.
Los aditivos para combustibles cumplen las siguientes
37
funciones:
1. Mejoran la combustión y eficiencia.
2. Mantienen la.temperatura de los gases por encima de1
punto de rocío.
3 - Reducen la emisión de productos contaminantes alambiente.
4- Reducen la formación de hollín y depósitos aisrantesque se pegan a las superficies de transferencia de
caLor, aislándolas.
5. Reducen 1a acción corrosiva de los gases de eombustión.
6. Reducen La formación de barros y microorganísmos que
inpiden mantener alta eficiencia en las calderas.
1.10.1. Tipos de Tratamiento con Aditivos paÍa
combustibles Líquidos. El agua ha sido mencionada como un
aditivo para mejorar el funcionamiento de ealderas.
Algunos fabricantes opinan que con un 3% o 4% de agua
emursifieada en el combustible se reduce significativamentela formación de sóIidos. sin embargo, adicionar agua
significa mayor consumo de combustible debido al calor de
evaporización del agua.
38
Hay dos tipos
y tratamiento
de tratamiento Para
durante y después de
fuel oil: precombustión
La combustión.
La Figura 8, muestra
fuel oil antes de la
las áreas problema en un sistema de
combustión.
TANOUE DE
ADITIVO
ADITIVO
CALDERA
FIGURA 8. Areas Problema en un Sistema de Fuel OilAntes de La Combustión.
La corrosión se puede presentar en el tanque combustible y
en todo el sistema por agúa y sales, y taponamiento en
filtros, precalentador, quernador por productos corrosivos,
barros y sedímentos.
ADITIVO
39
1.10.1.1. Degradaeión del combustible. Entre los factoresque más afectan a los combustibles 1íquidos se pueden
mencionar los siguientes:
1.10.L.2. Oxidación. El deterioro por oxidación da lugar
a incremento de partículas suspendidas, formación de agua
y decoloración del combustible.
El proceso de oxidación puede ser directo cuando el oxígeno
proveniente del aire se combina con moIécuras de
hidrocarburos del combustible, o cuando metales (hierro,cobre' níquel) son disueltos o quedan en suspensión
aumentando la oxidación.
L.10-1.3. crecimiento de Bacterias. En Ia interfase agua-
aceite se reproducen bacterias, hongos y otrosmicroorganísmos que secretan ácidos y agua causando 1a
formación de lodos que taponan los filtros.
1.10.L.4. Corrosión. Es causada por la presencia de
ácidos que atacan los metales del combustible y a su vez
incrementan la rata de oxidación. También se presenta
corrosión debido a la presencia de sal (Nacl) en el agua.
La corrosión causa daños en los tanques de almacenamiento
y sus productos pueden taponar filtros.
r.--L:ft:!'4I Unfvarsidad Aut6nom¡ de Occidenre II srcctoN BtBLtoTE€A I
--
40
1.10.2. Aditivos. Los aditivos empleados en el período de
precombustión normalmente contienen una eombinación de los
siguientes compuestos :
1. Solventes. Su efecto
partículas formadoras
solubilizar una parte de las
Iodo.
la aglomeración de partículas
es minimízar la oxidación de
ES
de
2.
3.
Dispersantes.
suspendidas y
Previenen
agua.
Antioxidantes.
hidrocarburos
Su acción
olefínicos.
4. Inhibidores de corrosión. Actúan formando una capa
protectora sobre las superficies metálicas que
neutralizan los ácidos.
5. Enulsificadores de Agua. Las sales corrosivas en e1
agua d"l combustible los mantiene en suspensión,
evitando el contacto con las superficies metálicas.
6. Microbicidas. Destruyen y previenen el crecimiento de
microorganismos .
7 - Depresores de Punto de Escurrimiento. Son útiles sobre
todo en climas fríos donde se debe precalentar el
combustible para facilitar su bombeo.
1.10.3. Tratamiento Durante y Después de la
La Figura 9, ilustra las áreas problema de un
fuel oil durante y después de la combustión.
FIGURA 9. Areas Problema en unDurante y Después de la
41
Combustión.
sistema de
Sistema de Fuel OilCombustión.
1.10.3.1. Depósitos. Hollín en Ia cámara de combustión.
1. 1-0 .3.2. Escoria. Ceniza en la eámara de combustión,
sobrecalentador y en la sección de convección puede causar
taponamientos y aislamiento térmico.
1. L0.3.3 .
sulfúrico.
Corrosión. En el economizador por ácido
1.10.3.4. Emisiones.
de la chimenea.
ADITIVO
CAMARA DECOMBUSTION
SECCION DECONVECCION
PRECALENTADORDE AIRE
ECONOMIZADOR
Lluvia ácida IHZSO4 + Hol1ín) fuera
42
1.10.3.5. Depósitos Incrustantes y Corrosión. Como se
muestra en Ia Figura g, los depósitos se pueden presentar
en las zonas de alta temperatura sobre la tubería de las
paredes de a9ua, €fl el sobrecalentador, y en el banco de
convección.
Se puede presentar corrosión en el economizador
precalentador de aire, ventiladores y en la chimenea.
En la zofta de alta temperatura se pueden LocaLízar
incrustaeiones de compuestos de sodio, vanadio, azufre y
oxígeno con bajo punto de fusión, gu€ una vez depositados
sobre strperfícies calientes son muy dífíciles de remover'
e incluso Ia acción de los sopladores de hollín tienen poco
efecto de limpieza sobre estos depósitos.
En la Tabla 8, se pueden apreciar las temperaturas de
fusión de varios de estos compuestos.
1.11. TRATAITIIENTO PARA CALDERAS QUE OPERAN CON CARBON
La tecnología del tratamiento químico para calderas que
funcionan con carbón se ha desarrollado en menor grado que
para las de fuel oil. Entre los compuestos químieos
empleados para controlar la formación de escoria, hol1ín y
corrosión, se pueden mencionar eI óxido de Magnesio,
carbonato de calcio y dolomita
43
TABLA 8. Temperatura de Fusión de Valios Compuestos.
coMPuEsTo QUrMrco TEMPERATURA DE FUSIONCENIZA
Pentóxido de Vanadio (V2O5)
Sulfato de Sodio (NarSOa)
Sulfato de Níquel (NiSO4)
Metavanadato Sódico (NarO.VlO5 )
Pirovanadato Sódico ( 2NarOV2O5 )
Ortovanadato Sódico (3NarO.VZO)
Ortovanadato Níquel (3NiO.VtOs)
Vanadato Vanadil Sódico ( NarO. VIO¿ . 5VtO )
Trisulfato de Hierro Sódico (2NarFe(SO{)3)
Efficiencv". (Roiler).
Una investigación conducida por "ASME'S RESEARCH COMMITES
ON CORROSION AND DEPOSITS", indica que tanto la corrosión
como los depósitos son causados por sulfatos de hierro
alcalinos y que eI MgO (po1vo) previene su formación.
Desafortunadamente este tratamiento es muy costoso debido
a la alta dosificación requerida (O.42 a 3% del
combustible).
Generalmente los problemas por ataque ácido en calderas de
fuel oil son más severos que las de carbón debido a que la
ceniza volante tiene suficiente alcalinidad que permite
prevenir eI ataque ácido. Cuando se supera los niveles
L27 4
163 0
154s
1165
121_0
1590
1650
116 5
115 0
44
permitidos se adicionan compuestos químicos de magnesio y
dolonita que previenen la formación de depósitos y
corrosión en los calentadores de aire' economizadores,
ductos y en La chimenea.
L.12. PREPARACION DEt CARBON
1.12.1-. Sistemas de Preparaeión. Entre los sistemas de
preparaeión de carbón se tienen los siguientes:
L.Lz.1.1. Sistema de Preparación Separada. El carbón se
mueve a régimen constante y se transporta en un depósito de
provisión o tolva. De esta sale por el alimentador y llega
a los mecheros de acuerdo con 1a demanda de carga que se
regula por la velocidad del alimentador. El sistema
individual no lleva tolva de almacenamiento quemándose eI
combustible innediatamente después de ser molido. Este tal
como se recibe los vagones, se eleva hasta la barbonera o
tolva extendiéndose por igual sobre varios compartimientos
de la misma. Por acción de la gravedad desciende hasta
los molinos donde se tritura aL tamaño deseado,
suministrándose cierta cantidad de aire al molino.
En la Figura 10, se muestra la disposíción general de un
sistema de preparaeión separada; en un edificio
independiente se efectúa la pulverización del carbón.
FIGURA 10. Preparación del Carbón Efectuado en LocalAdyacente a la Sala de Calderas.
Ventiladores aspiradores en el piso de encima extraen el
carbón pulvgrizado y 1o envían a los colectores situados
a una nave entre los edificios. En el separador, las
partículas de carbón giran en remolino y entran aI depósito
Ínferior o son transportadas por alimentadores de espirala una tolva distante para carbón pulverizado.
El aire de transporte sale de la parte superior del
colector de los molinos y también de la parte superior del
depósito de combustible pulverizado, dando a La atmósfera.
46
Los alimentadores de hélice colocados bajo cada depósito
de carbón pulverizado y que son asimismo alimentados con
aire "primario", transportan esta mezcla de polvo
combustible y aire hasta los mecheros vertieales. El airef'secundario" o sea 1a cantidad que le falta al primario
para toxaLizar el necesario para la combustión, se
introduce en el hogar alrededor de los mecheros.
L.L2.L.2. Sistema de Preparación Individual. En una
instalación de tipo individual tal como puede hallarse en
cualquier Central moderna, €1 carbón se eleva por un
transportador de cangilones hasta una cinta horizontal
sobre la carbonera y se vierte en esta. Desde aquí, Por
acción de la gravedad desciende a básculas colocadas unos
seis metros más arriba del piso principal. Las balanzas
automáticas pesan el carbón y 10 vierten en el alimentador
colocado en eI piso principal y cuya velocidad se regula de
acuerdo con la demanda de la carga.
El earbón que envía el alimentador se introduce junto con
aire precalentado en el molino. Un aspirador toma el aire
precalentado y 10 l-anza al molino triturador arrastrando el
carbón en polvo hasta eI hogar. El aire secundario que se
introduce en el hogar alrededor de los mecheros se dirige
de manera que su corriente choque con la del primario y elpolvo combustible.
deI sistema
47
deLa Figura 11,
preparación con
muestra de un esquema
tolva intermedia.
22
1T
)i;,--t 'a--ll
EELncroN DE PABTES: l. Tolva de c*bón ptimailo; 2. compucda; 3. Atimentador decarbón; 4. Tubería da secado; s. Motino de'esterasj e. sepiaái-'dá polvo i"iiiaá;7. ciclón; 8. ventilador de molino; 9. Tolva del potvo pre¡iarado; lo. Atimaniadá, * 'carbón; ll. Distribución del potvo;12. Atimentaáor de'pótvo; ló. e)uemador;14. caia oconducto de aire caliente; ls. Llave de paso de aire trio; tó,t2. Llaves; lg.-aucciói deaira frío; 19. ventilador de.aire forzado; 20. conducto o cajá de aire primario; 21.Mezclador de polvo con aire; 22. Compueña.
FrcuRA 11. sistema de Preparación del carbón con TorvaIntermedia.
1.L2.2- Pulverizadores de Carbón. Toda Ia maquinaria
48
opera para pulverizar por impacto, frotamiento' compresión
o una combinación de dos o más de estos procesos.
L.L2.2.L. Pulverizadores de Velocidad Media. Hay dos
grupos de pulverizadores de velocidad media ( 75 RPM a 225
RPM) , clasificados en tipos de collar de bolas. y rodillos.
En cada grupo se util-íza el principio de pulverizado por
una combinación de trituriación bajo presión, impacto y
frotamiento entre superficies de molienda y material, pero
eI método es diferente.
L.L2.2.L.L.
pulverizador de
de cojinete de
tiene un anillo
del fondo y un
de molienda.
I
Pulverizador de Col1ar de Bolas. E1
coll.ar de bolas trabaja según el principio
bolas. El que se muestra en la Figura L2'
estacionario superior, u[ ani1lo rotatoriojuego de bolas que conforman los elementos
L.L2.2.I.2. Pulverizador de Tipo Rodillo. Este tipo de
pulverizador puede ser de un diseño en el cual eI anillo
es estacionario y los rodillos giran, o uno en el cual los
rodillos están montados en la caia del molino y el anillo
gira. En el primer tipo, los elementos de molienda
consisten en tres o más rodillos cilíndricos suspendidos en
brazos impulsores giran en una pista reemplazable en
posición horizontal.
49
-__;_::"_"'_'..,''''.
Válvula de cortedel tubo
del quemadorClasificador
FIGURA L2. Pulverizador de Bolas.
El componente principal del segundo tipo, €1 tazón del
molino, €s un tazó¡ rotatorio equipado con un ani11o
reemplazable de molienda de dos o más rodillos de cono en
chumaceras estacionarias, uo clasificador y un impulsor
princípa1.
I.I2.2.L.3. Molino de Tubo. Uno de los más antiguos
pulverizadores prácticos es el molino de tubo, en el cual
una carga de bolas de acero forjado de tamaños diversos en
un cilindro de molienda horizonta1- se activa por gravedad
lffi| .;ije;i0N B|BL|OTECA. I
50
conforme gira el cilindro. El
frotamiento e impacto eonforme
y cae en el carbón.
carbón es
1a carga de
pulverizado por
bolas asciende
L.L2.2 -2. Pulverizadores de Alta Velocidad. Los
pulverizadores de alta velocidad utilizan el impacto como
medio primario de molienda mediante el empleo de batientes
cori martillos, espigas resistentes al desgaste que giran
dentro de una jaula y hojas de abanico integradas al árbol
pulverizador.
I..13. . CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA PARA
COI'TBUSTION DE COMBUSTIBLES PESAI}OS
Debido aI costo de la energía y su incidencia en los costos
operacionales, las empresas se ven en Ia necesidad de
considerar como alternativa el consumo de combustibles cada
vez más pesados incentivados por e1 menor precio a1
compararlos con A.C.P.M. y el combustóleo tradicional,
No obstante, pata su empleo es necesario reaLj-zar cambios
operacionales y efectuar reemplazos y/o modificaciones
menores en los equipos a la de adaptarse a las nuevas
condiciones de1 combustible.
51
LA1.14. FACTORES DE CONVERSION DESTINADOS
COMPOSICION DE COTIIBUSTIBLE DE UNA
PARA TRADUCIR
MASA A OTRA
En la Tabla 9, se presentan factores de conversión de lamasa de combustible.
TABTA 9. Factores de Conversión de 1a Masa de Conbustible.
üASA DE
COI{BUSTIBLE DADAFACTORES
APROVECHABTEDE COI{VERSIOIiI A IA }IASA
COIIIBUSTIBTE SECA
Aprovechabe
Conbustible
Seca
100- (Aa+fi¡a)100
100 - n¡¿1oo
100 100100 - (Aa+Wa) 100 -f a
100 -A s
100
100100 -A s
!'uente: G. PANKRATOV. Termodinámica.
1.15. PROBLEI{AS DE APLICACION
Problema 1.1-
En el hogar de una caldera se quema una mezcla compuesta de' 3x103 Kilogramos de carbón de marca D cuya composición es:
Cf = 49.3%t Hf = 3.6%; (Sár)r = 3.0.%i ff" = 1.0%t Of =
8.3%; Af = 2L.8%; wf = 73% y y 4.5 x 103 kilogramos de
carbón de la marca G cuya composición es Cr" = 55.2%; Hf =
52
3.8%; (Sui1l, = 3.2%t N: = 1.0%; O: = 5.8% t A: =23.O%t Wf
= 8.0%.
Determinar 1a composición de la mezcla aprovechabler s€
designa con el índice rf arr.
Solución:
La porción de masa de uno de los combustibles contenidos en
la mezcla se determina con ayuda de La síguiente fórmula:
bt = Bt/ (4 * Bzl (1.11)
Donde bl : Porción de masa.
Bl, 92 : Masas de los combustibles de la mezcla'
Entonces:
bl = 3OOO/ (3000 + 4500) = O.4
La composición de la mezcla aprovechable se encuenta por
medio de las siguientes ecuaciones:
C"r.r=brCru* ( 7-b¡) Cz^
H " ,.r=bfif + (t -b) Hz"
(1.r.2)
( 1.13 )
(
N"r", = brJVrt + (t-b1) O2a
O" ^", = brof + (L -btl Oz^
A',*, - brAr" * (L -bt) Aza
W" no, - brWf * (L -btl Wz^
53
(1.14)
( 1.ls )
( 1.16 )
( 1. 17 )
(1.18)
Reemplazando los valores correspondientes en las anterioresecuaciones se tiene:
C"*, = O.4(49.3) + 0.6(55.2) = 52.8%
H"*, = 0.4 (3.6) + 0.6 (3.9) = 3.7%
(s'*')rr, = o.4 (3.0) + 0.6 (3.2) = 3.L%
N"*, = O.4 (1.0) + 0.6 (1.0) = L.O%
O"*, = 0.4 (8.3) + 0.6 (5.8) = 6.8%
A"*, = O.4 (21.8) + 0.6 (23) = 22.6%
W"^"" = O.4 (13.0) + O.6 (8.0) = LO%
Verificación:
C"*r*H"r"r+ (sa nol.l)r"r*N^r"r*o"^"r*A"r.r+lilamez = 52.8 + 3.7
+ 3.1 +1.0 + 6.8 + 22.6 +10.0 = 100%
54
Problema I.2.
Determinar el poder calorífico superior de la masa
aprovechable, la humedad reducida, eI contenido reducido de
cenizas, €1 contenido de 'azufre y el equivalente térmico
del carbón de Ia marca T, si los valores conocidos son como
siguen t Q! = 24365 KJ/Kgi Ha = 3.L%t SÍot = 2'8%l A" =
23.8%yWa=5.0%.
Solución:
Las magnitudes del poder calorífico superior e in'ferior de
Ia masa aprovechable, combustible y seca del combustible
sólido ( líquido) están relacionadas mediante las
expresiones:
eÍ = eran+Z2sía+25Wa
Q! = Qfn = 225He
e"" = efn+22íHB
(1.le)
( 1.20 )
( 1.21)
La composieión de masa aprovechable, combustible y seca
aprovechable se designan con los índices "s", "c", "s",
respectivamente .
Reemplazando los valores correspondientes en las anteriores
55
expresiones se tiene:
O: = 24365 + 225.3 (3.1) + 25.5 = ZSL87 KJ/Kg.
La humedad reducida del combustibres se determina mediante
la aplicación de Ia siguiente fórmula:
esto es:
Wred = 4190 ( 5 / 24365) = 0.86 Kg x % x fO-3/X.f
El contenido reducido de cenizas se carcura como!
wrad = 4LgoE (L.22)
A,"d=Also+ (1.23)
s,ed=41e0# (L.24)
esto es:
At"d, = 4190 (23.8 / 24365) = 4.Og Kg x % x fO-3/X.f
Et contenido reducido de azufre en el combustibre es:
56
esto es:
Sr"d = 4190 (2-8 / 24365) = 0'481 Ke x % x ro-3/x¡
Para determinar el equivalente térmico se hace por medio de
la siguiente expresión:
n=.?ii. (1'2s)29 300
Reemplazando se tiene:
fi = 24365 / 293OO = 0.83
Problema 1.3.
Determinar el poder calorífico inferior y superior de la
masa combustible del mazút de gran contenido de azufre si
se conocen las siguientes magnitudes: Of" = 38772
KJ/Kgi Ha = LO.4%i Aa = O.L%iW" = 3.0%.
Solución:
se determina el contenido de Hidrógeno en Ia masa
combustible valiéndose del faetor de conversión de la
Figura I.4.100Hc=Ha j_00 _ 1Aa +Wal
(r.26)
57
Esto es:
Hc = 10.4 (]-OO/ (100 - (0.1 + 3.0))) = LA.7%
E.l poder calorífico inferior de ra masa combustible se
determina según la fórmula:
Qi", =gfi+25Wa
100 (L .27 )L00 - (Aa +Wa),
Reemplazando los valores correspondientes se tiene:
Oñ = (38772+25 (3.0))/(100-(0.1+3.0)) (100) = 40090 KJ/Ke
Ejenplo L.4.
Para una sala de calderas con hogares diferentes se
suministraron 50 x 103 Kg de carbón de ra marca T de ra
siguiente composición. Ca = 62.7%; Ha = 3.L%: Si"t = 2.g%iNa
= O.9%i Oa = !.7%i Aa = 23.8%; Wa =5.0% y 6.0 x t03 fg ae
carbón de marca A de la siguiente composición: ca = 63.g%:Ha
= L.2%; Siot = L.7%; AIa = 0.6%i Oa = 1.3% i Aa = 22.9%;Wa
= 8.5%.
Determinar el tiempo de funcionamiento de los hogares si es
sabido que Ios hogares que consumen carbón de la marca T
58
necesitan 2 x 103 Kgrlh de combustible convencional y los
que consumen earbón de la marca A, 2-3 x 103 Kg/h de
combustible convencional .
Solución:
Se determina el poder calorífico inferior de 1a masa
aprovechable del carbón de la marca T así:
eÍn = 33Bca+1025ff a-108.5 (o"-SÍot) -zsw' (1.28)
Entonces:
eño =338 (6'2.7 ) +1025( 3. 1 )-108. s( 1. 7 -2.8)-2s( 5 .O)=24365 KJlKe
La masa de combustible convencional correspondiente a 50 x
tO3 1qg de carbón de la marca T se determina con ayuda de la
siguiente fórmuLa:
Bcr=BtE=m (1'29)
o sea:
Bcz = 50 x 103 (24365 / 29300) = 4L.6 x 103 Kg.
El calculo del tiempo de trabajo de los hogares que
59
consumen carbón de la marca
f1 =
T es:
Bct
2tfl03(1.30)
Esto es:
11 = 4L.6 x Lol / 2x10J = 2O.8
El. poder calorífico inferior de la masa aprovechable del
carbón de la marca A es:
Qñ, =338( 63.8)+1o25 (7.2)-108. s( 1. 3-L.7)-2s(8.5)=2 2625 KJ /Ks
La masa combustible convencionar que corresponde a 60 x 103
Kilogramos de carbón de la marca A, es:
B"e = 60 x 103 (2262s / 29300) = 46.3 x ro3 rg
tiempo de trabajo de los hornos que consumen carbón de
marca A:
r" = 46.3 x 103 / 2.3 x 103 = 20.1 h.¿
E1
1a
Uníversid¡4 Ailt6noma de Occidentestcctrri¡ BtB! t0t EC,1
2. TEORIA BASICA DE COT{BUSTION
2.L. CO¡IBUSTION
Es la reacción química de oxidación en el cual se combina
el oxÍgeno con el combustible obteniendo como resultado laproducción de calor.
Básicamente la combustión es el acto o proceso de quemado.
Los combustibles más comunes, como aeeites, gBS y carbón,
están compuestos por carbono e hidrógeno, existiendo en
algunos combustibles pequeñas cantidades de azufre, estando
presentes trazas de otros elementos. Para usos prácticos
es la oxidación de tres elementos, carbono, hidrógeno y
azufre, la que se tiene en cuenta en la combustión. Tres
reacciones químieas se suceden:
Carbono + Oxígeno ----> Dióxido de Carbono + Galor (Z.LI
Hidrógeno + Oxígeno ----> Vapor de Agua + Calor
Azufre + Oxígeno ---->Dióxido de Azufre + Calor (2.21
61
De acuerdo con los fundamentos
carbono y oxígeno se exPresa de
la química Ia unión
forma siguiente:
dede
la
C + Ol ----> Anhídrido Carbónico
1+ 1---->lenMoles
L2 + 32
Las expresiones anteriores indican que un peso molecular de
carbono Se combina con un peso molecular de oxígeno para
producir un peso molecular de anhídrido carbónico. Un mol
de una sustancia vale M kilogramos cuando M es el peso
molecular.
Aunque las cantidades gue Se combinan pueden expresarse en
kilogramos, es más séncil1o efectuar todos los cálculos
utilizando moles y transformarlos en kilogramos o metros
cúbicos s.glamente cuando sea necesario.
se dice que una combustión es completa cuando eI
combustible es totalmente oxídado y se libera toda la
energía. La expresión (2.L) corresponde' pues a la
oxidación completa de1 carbono. La combustión incompleta
puede ser debida por:
1. Insuficiencia de Oxígeno-
2. Mezcla imperfecta entre eI combustible y el oxígeno.
62
3. Temperatura demasiado baja para mantener la eombustión.
Las expresiones (2.3) y (2.4) corresponden a ra combustión
incompleta, debido a la presencia de óxido de carbono y de
hidrógeno libre en los respectivos productos finales.
c+ |or------co
zHr+ | +------Hro+H,
(2.3)
(2.4)
El oxígeno necesario para la combustión es captado síempre
del aire, acompañándole gran cantidad de hidrógeno, debido
a que no es fácil la separación de ambos. EI 0xígeno
embotellado se util-íza para determinadas aplicaciones,como, por ejemplo, én los sopletes para cortar, €r loscuales no puede permitirse 1os efectos dil'uyentes de1
nitrógeno. Es por tanto necesario revisar las propiedades
del aire como manantial de oxígeno.
cuando los cálculos se efectúan con regla de cálculo se
supone que el aire se halla constituido por 2L% d.e oxígeno,y 79% de nitrógenor €n volumen,.y por 23.15% de oxígeno y
76.85% de nitrógeno, €r peso.
Todos los constituyentes, excepto el oxígeno, pueden
considerarse en conjunto como gas inerte cuyo peso
63
molecular es 28.2 en vez
nitrógeno puro.
de 28.0, gu€ corresPonde a el
2.2. CONTROL DEI. PROCESO DE COMBUSTION
La combustión en gran medida determina La confiabilidad y
el trabajo económico de la caldera. Uno de los principales
problemas en la operación de calderas es la regulación del
proceso de combustión de tal manera que proporcionen |a
poteneia requerida eon un alto rendiu¡iento (economía de
combustible).
El cambio en la carga deI hogar está relacionado con el
cambio del flujo de vapor y se logra regulando La cantidad
de aire y combustible que entra al hogar y manteniendo una
depresión constante en La patte superior del hogar'
2.3. AIRE TEORICO
Es la cantidad de aire necesaria para
perfecta. Se ealcula por la ecuación:
la combustión
1- t 3? c*8¡r+,g)o.23 ' 1,2
lb. aireffi (2.s)
combustible poseaEn e1 caso de que el oxígeno la ecuación
64
Donde C, H, O, y S son el porcentaje en peso por libra de
combustible.
La regulación de Ia cantidad de combustible se hace
cambiando; la productividad de los alimentadores de
combustibles, la velocidad de la parrilra, la presión. del
fuel oil o del gas antes de ros quemadores y aI número de
quemadores.
uno de los principales valores que determina la buena
combustión a1 quemar. cualquier combustibre, en diferentes
hogares, €s el coeficiente de exceso de aire g en el
proceso de operación es necesario mantener un valor óptimo
de s para diferentes cargas.
es:
#tfrc*8a+s-orffi
g, = Vaite
v!¡t.
Vatre : Volumen de aire real necesario1 Kg de combustible.
(2.6)
(2.7 )
Donde: para quemar
65
Se llama coeficiente de exceso de aire óptimo aquel en el
cual la suma de las pérdidas con los gases de salida 92 y
pérdidas por combustión química q3 y mecánica incompleta
sean las mínimas, o sea üoptn cuando gi----o
Vf¡,"
El exceso de aire se halla
composición de los gases '
determinar con un análisis de
especiales) el porcentaje de
CO, CH¿ y HZ.
: Volumen de aire teórico determinado según
Ias reacciones estequiométricas ( ideal ) .
É.2
Cuando en eI combustible hay poco porcentaje de N2' NZ<3%'
e1 coeficiente de exceso de aire se puede determinar por la
fórmula:
en b'ase aL estudio de la
por 1o que es necesario
gases (aparatos de medición
COZ y SOZ, COI + SOt = ROZ , OZ,
(2.8)
el personal de
o=N'* - tvr-3.76 (O2-0.5eo-o. 5¡r, -2eH4)
Otro método más simplificado y rápido para
operación es:
RO-maxq,=É (2.e)
ü,= 2t2L-02
66
(2.10)
Donde:
ROI* = COz+SOz (2.11)
La ecuación ( 2.11) , se aplica con 1a condición de
combustión completa teórica, o sea con d = 1, ROZ ¡nedido
en porcentaje, ol contenido volumétrico en porcentaje de
todos los gases de combustión.
La ecuación (2.LO),
se incluye Ro2nax,
combustible, sindemasiadas pérdidas
es Ia más empleada, yá que en ella no
que depende de la conposición del
embargo, [o es exacta cuando hay
por combustión química incompleta.
2.3.L. Defecto de Aire. La deficiencia der aire impide lacombustión compreta del combustible, quedando arguna
porción de este sin quemar y pasando ra mayor parte a co.
Esta mezcLa combustible co puede salir directamente por La
chimenea perdiéndose gran cantidad del poder calorífico delcombustible, pues, la combustión de c a col genera
14086 Btu/lb, mientras su combustión a co genera solo4344 Btu/Ib; o puede entrar a combustión en la zona de
conveccíón con aire de infiltración dañando la estructura
67
y tubería de esta zo¡,a; o...pueden presentarse acumulaciones,
espeeialmente en e1 caso de combustibles gaseosos ' 9Ué
lleguen a producir una exPlosión.
La deficiencia del aire también ocasiona llamas largas que
pueden producir puntos calientes, humos densos y oscuros'
no apreciables en el caso del gas natural y rápida
generación de carbón y residuos que Se depositan aislando
térmicamente la tubería.
Para determinar el exceso de aire y comprobar que no haya
combustión química incompleta se establece:
se establecen la presión nominal del gás o de1 fuel
oil en todos los quemadores.
1.
2. de ar_reSe establece 1a misma presión máxima
considerando que la quema sea estable.
3. Manteniendo una depresión constante Se hace el análisis
de los productos de combustión RO, y Ol'
Se disminuye la presión de aire en aproximadamente LO%
a 157q de la inicial, se toman los valores RO2 y 02 en Ia
salida del hogar:. se sigue disminuyendo la presión de
aire y se determina los valores de 02 y Rol hasta I.2%.
4.
68
5. Se construye un gráfico O, versus RO, o (%1, (Véase
Figura 13 ) , todos los puntos que caracterj-zan
regímenes en los cuales no existe combustión química
incompleta siguen una línea recta en eI gráfico
ROI versus 02.
o"%
I
I
7
I
5
4
3
2
1
o
56
FIGURA 13.
78
Gráfico
10 11 12
Versus ROZ.
^l
5
7-a\Oo
Rq%9
o2
13 14 15 16
Para determinar el Roonáx o
cuando la comUustiOn es
a, = 1 se prolonga la
sea el cbntenido de COI y SOZ
completa ideal, o sea cuando
Iínea recta en este caso
en lasD^nax - 1rol r- ^^*r-..^+:.¡.- ^^-2Kuz--- - L¿h, aunque la combustión será mejor pero
condiciones reales de la caldera no se logra.
69
E1 valor óptimo del exceso de aire será en el punto 6 en la
recta, o sea
2.4 . COIIIBUSTION INCO}IPLETA
Se detecta básicamente por Ia presencia de humos. Los
especialistas en combustión han convenido siempre que el
humo excesivo es indicadon de pérdidas económicas y un
rendimiento bajo. Mientras este principio es
aproximadamente válido para todos los combustibles sólidos,
es totalmente cierto cuando se aplica a combustibles
líquidos, por nb producir humos si se utilizan
correctamente.
Con ayuda de instrumentos apropiados y unos conocimientos
suficientes sobre los factores productores de humo,
cualquier combustión puede situarse en condiciones de
combustión limpia.
En algunos casos bastan operaciones elementales como ajuste
de tiro, reparación de fugas, limpieza o sustitución de
boquillas de quemadores, etc., mientras que en otros hay
que modernizar alguna parte de la instalación si se desea
en rendimiento de la combustión mínimo del 75%, valor del
que no se debe bajar nunca.
n = vL.1a,
ñl"tf-- rrP occidrntc l"
70
2.5. EXCESO DE HTTMO
La producción
rendimiento de
humos incide
combustión en
negativamente sobre
dos aspectos:
de
lael
1- Porque significa que queda combustible por quemar,. La
cantidad puede variar, pero la pérdida de combustible
en ningún caso es inferior al 5%.
2- Por el depósito de holIín sobre las superficies de
intercambio de calor del sistema. Este hollín actúa
como aislante de calor disminuyendo su capacidad de
transmisión, con 1o que los gases de escape aumentan
su temperatura y, por 10 tanto un cal0r no aprovechado
es expulsado y perdido en la atmósfera.
si a estas pérdidas se añaden los gastos por rimpieza ymantenimiento del sistema, más frecuentes que losnecesarios en una buena instalación se llegará fácílmente
a ra concrusión de que no se debe tener un tipo de
combustión que prodvzea humos.
2 .6 . CAUSAS DE tA CO}IBUSTION CON HTII,ÍOS
En general, los defectos
pueden localizarse en la
que provocan Ia aparición de humos
zona de combustión.
7L
Los cuatro defectos básicos son:
Aire insuficiente aplicado a |a llama para obtener una
combustión limpia y eficiente.
Distribución no uniforme del combustible y/o aire en la
zona de combust.ión.
Temperatura insuficiente en la zona de combustión para
provocar la vaporizacj-ón y combustión correcta del fuel.
Insuficiente turbulencia de la llama para el tipo de
fuel usado.
Mediante la Figura L4, se
de infamación TB y de
condiciones de extracción
caldera en eI hogar.
puede determinar la temperatura
combustión T, con diferentes
de calor en las suPerficies de la
o
\
l. Dcsptand¡m¡omo de calor cn ol prgcooo do ta roacclón de combustlón.2, Ertracdón do calol dc l- zona dc la roacclón Intcn¡lva.3. Extracdón ilo calor rlábll ds la zona rlc roacclón
FIGURA 1^4. Determinación Gráfica de la Temperatura deInflamación y de Combustión.
2.7. TIRO INSUFICIENTE
Puede ser debido a que los pasos de humo del interior de
caldera estén parcialmente obstruidos por depósitos
hol1ín.
La indicación de que esto es 1o que está ocurriendo se
tiene cuando el tiro en la chimenea es er correcto, según
especificaciones del constructor y, en cambio el tiro en elhogar es insuficiente. En este caso el origen puede ser
filtraciones de aire después der hogar que no contribuyena la combustión y¡ en cambio si deben salír por lachimenea.
En Ia Tabla 10, se muestra la composición del aire seco.
TABLA 10. Composición del Aire Seco.
72
1a
de
% EN VOLTIMENMOLES
% EN PESO PESO IIOLECULARKglno1
Oxígeno
Nitrógeno
Argón
Anhídrido Carbónico
Hidrógeno
Aire Seco
20.99
78.03
o.94
0.03
0.01
100
23.L9
75.47
1.30
0.04
0.0
100
32
28.OL6
39.944
44.003
2.016
28.967
FUENTE: IW\RSKS. Manual clel Ingeniero Mecánico.
73
La composición del carbono en e1 aire viene representada
por Ia siguiente relación:
C+Oz+3 .7 6 Nz------COr+3 .7 6 N2 (2.L2)
l- + 1 + 3.76
LZ+32+3.76(28.2)
Dividiendo por L2z
1 + 2.667 + 8.84
Combustible Aire Productos
Por 1o tanto, €1 aire requerido será:
(2.667 + 8,84) / | = 11.5 Kg,/Kg de Carbono.
La combustión del hidrógeno en eI aire viene representada
por la siguiente relación:
74
Dividiendo por 4z
1 + 8 + 26.5
Combustible Aire Produetos
Por 1o tanto, €1 aire requerido será:
(8 + 26.5) / 1 - 34.5 Ke/Ke de Hidrógeno.
La combustión del azufre en el aire da:
s + oz+3 .7 6 N2---- SOr+3 .7 6 N2 (2.L4)
1 + 1 + 3.76
32+32+3.76(28.2)
Dividiendo por 322
1 + I + 3.32
Por 1o tanto, €1 aire requerido por kilogramo de azufreserá:
(1 + 3.32) / 1 - 4.32 Kg.
75
En la Figura 15, se muestran los incrementos de consumo de
combustible en función del espesor de La capa de hollín en
las superficies de intercambio térmico ( superficies de
calentamiento.
1/32 PULG 1/16 PULG 1/6 PULG
GAPA DE HOLLIN SOBRE LA SUPERFICIE DE GALENTAMIENTO
FIGURA 15. Efecto del Hol1ín Sobre Consumo de Combustible.
uldt%Fo=oE 6e6L'ot¡Joo5%.fozoo 4rsJt¡tooFz3%I¡¡Et¡¡to22%
76
Y2.8. CANTIDAI)
PRODUCTOS
DE
DE
AIRE NECESARIO PARA LA COUBUSTION
LA COITIBUSTION
Por muy complicada que sea la composición der combustible
de hidrocarburos, €1 carbón, €o fin de cuentas, s€ quema
hasta formar CO2; eI hidrógeno, hasta HIO y eL azufre, hasta
sol. En calidad del oxídante como se mencionó antes sirveel aire. su cantidad ha de ser, naturalmente suficientepara la quema total de todos los elementos combustibles.
Las ecuaciones de balance que muestran los estados de
partida y final de los componentes que participan en las
reacciones, se llaman estequiométricas:
e+Oz = COz (2.ls)
S+oz = SOz (2.L6)
se deduce que para L2 Kg de carbono y 32 Kg de azufre se
deben consumir 32 Kg de oxígenor €n este caso se forman
respectivamente 44 Kg de coz y 64 Kg de sot. por
consiguiente, par'a quemar por completo 1 Kg de carbono hay
que gastar teóricamente 2.67 Kg de oxígeno y para I Kg de
azufre y 1 Kg de hidrógeno respectivamente 1 y g Kg de
oxÍgeno.
77
Una parte del oxígeno necesario igual a 0.01 Or Kg/Kg la
contiene el combustible, la parte restante en cantidad
Moz = Q.07(2-67 c, + 8 H, + sc, or) es preciso
suministrarLa junto con e1 aire. El índice "r" caracteríza
el estado funcional del combustible de acuerdo como este Se
queme como se menciona en el capitulo anterior forma parte
de este la ceniza (A) y la humedad (lü) que constituyen unai:.'".. .:, :; i.-. . : :..,' , : t,,
carga inútil del combustible.
lá densidad del oxígeno en condiciones ,,ot*ales es igual 'a
?.1.43 K9/VI: (masa molecular dividida por el volumen:
de 1 kílomol, €s decir, 43/22.4), el contenido de oxígeno
en el aire seco constituye el O.2I del volumen. Por
consiguiente, €1 volumen de aire (reducido a condiciones
normales ) teór:icamente necesario para quemar en su
totalidad 1 Kg de combustible, es igual, €D mr¡Kg az
vo=Moz/ $,43(0.21-) ) = 0.033Q.67Cr+8H¡+Scr-Or ) ( 2.L7)
El calor que se desprende durante la combustión' es
generalmente referido a 1 Kg de carburante, llamándole
calor de combustión. Puesto que en la reacción¡ €fl igual
medida participan g¿mbién los elementos combustibles
(carburante) y eI oxígeno (aire), es posible también
78
referir este calor a un kilogramo de aire.
Los cáLcu1os muestran que el calor de <<combustión>> del airejunto con el del distintos tipos de carburante varía en
cierta medida, pero puede aceptarse igual, como promedio a
3.8 MJ por 1 m3 (en condiciones normales) de aire que
realmente ha reaecionado. Esta cifra es cómoda para los
cálculos aproximados que aseguran una precisión del orden
los límites del lO% a L5%. Por eso para la evaluación se
puede aceptar Vo = Qi' /3.8.
Puesto que es difíciI mezclar uniformemente el aire con elcombustible, resulta necesario suministrar a1 hogar más
aire del que es necesario teóricamente. La relación entre
la cantidad de aire va realmente suministrado al hogar por
unidad de masa del combustible y la cantidad teóricamente
necesaria V0 como se mencionó anteriormente se Ilama
coeficiente de aire o coefíciente de exceso de aire:
ü^= v^ovo (2.18)
En caso de una organízación normal del proceso de
combustión úa ) L, además, cuanto más perfecto sea el
mejores los quemadores, tanto menor cantidad dehogar y
79
aire excesivo será necesario suministrar. En los hogares
con quemadores eI ua constituye de 1.05 a L.2, y en
hogares def.icientes de 1 .3 a L.7 .
EI coefíciente de exceso de aire para combustible gaseoso
es igual a L.02; 1.03 para combustible líquido, para
combustible sólido es igual a L2, 1.3, 1.5. (Se toman a la
salida del hogar).
2.9. VOLUITIEN Y
COT{BUSTION
COTI{POSICION LOS PRODUCTOS
A1 diseñar las instalaciones termotécnicas conviene conocer
Ia cantidad de gases que se forman pata calcular
correctamente los conductos de gas, la chimenea, elegir un
dispositivo (aspirador de humo) para evacuar estos gases'
etc. Como reg1a, Ia cantidad de productos de combustión
(igual que la de aire suministrado) se refieren a una
unidad de masa de combustible (a 1 Kg pata el sólido y
líquido y a 1 m3 en condiciones normales para el gas).
Estas cantidades se calculan partiendo de la ecuación de
balance material de la combustión.
Al organízar los procesos de combustión, €s decir, oxidar
el carbono hasta que se forme Coz y el hidrógeno, hasta
formar HlO. Habitualmente 1a cantidad de productos de
DE DE
m,'I
80
eombustión incompreta (co, H2), así como de óxido nítricoNo es hasta tal grado pequeña que su presencia no ejerceinfruencia sustancial en el volumen sumario de gases. para
una evaluación aproximada se puede considerar que en
condiciones normales el vorumen de los productos de
combustión vconb de los carburantes sólido, líquido es igualal volumen de aire vr, mientras que el combustible gaseoso,
lo es I va+l ' ya que el volumen de Ia componente principalde los gases de combustión, que es eI nitrógeno, igual que
del oxígeno "excesivo" no varía durante la combustión.
En las reacciones (2.L6) el volumen de gases también
permanece constante. Para cá1cu10s más precisos a pesar de
todo hay que tomar en consideración que durante ra
combustión de un carburante sólido vconb ) va (ordinariamente
en L5% a 2o%) en primer rugar a causa de la evaporación de
la humedad que eI combustible contiene, así.como debido a
la formación de vapor de agua durante Ia combustión de
compuestos que contienen hidrógeno.
Para la quema total se tiene:
Vcmu = WO.+WIzO+O.79d^Vo +0.21 (a" -tl Vo (2.L9)
Aquí 0.2L (a"-tl V" r €s eI oxígeno excesivo del aire que
81
pasa de (<tránsito>> a los
O.79 e"Vo , €s el nitrógeno
productos
del aire que
de combustión;
también pasa de
I'tránsito" ( el nitrógeno del combustible se desPrecia);
IIRO" = VCO"+VSO, es volumen de productos secose1
triatómicos de la combustión.
Puesto que durante la combustión 1 Kmol de carbono y de
azsfre {respectivamente, L2, 32 Kg) según las reacciones
(2.L6\ se forman por 1 Kmol de CO2 v SO2 y el volumen de
1 Kmol de gas perfecto en condiciones normales es igual a
zz.4 1¡3, el volumen de los productos triatómicos de la
combustión en *3/Xg ." igual ai
VRO, = VCO,+VSO, (2.20',)
VRO, = .(.0.0L.Cr/ 12+0.01 Scr /32)22.4 = 0.0168(Cr +0.375 Scr
Dufante la quema de 1 Kg de hidrógeno según la reacción
(2;2O) .se forman 9 Kg de vapor de agua, además se evapora
también: ,tr-a humedad de1 combustible. Para aproximación
ideal gaseosa la densidad del vapor de agua en condiciones
normales es igual a (18 / 22'4) = 0'805 Kglm3' Es posible
degpreciar.el vapor de agua contenido en el aire (cerca de
B2
10 gramos por t *3 ), por consiguiente,
wro=0.01 Hr .9 /0.805 + wt/0.905 =0.111Hr+0. oL24Wr (2.2L
Las fórmulas aducidas permiten calcular también 1a
composición de los productos de Ia combustión, es decir, elcontenido en tanto por ciento de los distintos componentes
de aquella, por ejemplo, Ia concentración de oxígeno Oq =
100 VOZ/Vconb, de vapor de agua HrO = 100 VHrO/Vcomb, etc.
A1 diseñar los aparatos termotécnicos, €s necesario
conocer Ia composición de los gases para poder calcular su
capacidad calorífica que determina la cantidad de calorentregada por estos durante su enfriamiento.
Una importancia aún mayor tiene Ia determinación de lacomposición de los gases en proceso de explotación del
aparaXo, puesto que esto da una idea acerca de1 régimen de
trabajo del hogar o de la cámara de combustión. En
particular, la presencia de notables cantidades de
productos de la combustión incompleta (CO, HZ, CH4) revela
la mala organízacíón del proceso de combustión, mientras
que la alta concentración de oxígeno significa que hay un
exceso muy alto de aire.
83
2.TO. ENTALPIA DE LOS PRODUCTOS DE COITIBUSTION
En correspondencia con el primer princípio de la
termodinámica, La energía no puede crearse ni destruirse.
Este principio significa que debe prevalecer un balance
exacto entre la energía de la entrada y Ia de salida
cualquiera que sea Ia energía que se introduzea o extraiga
de un sistema (Véase Figura 16).
H gaseaKJ/Kg
t gases
Gases VersusFIGURA 16.,i
No puede existir exceso o
o dispositivo, la energía,t
como de calor a trabajo'
completa en e1 conjunto.
Diagrama Entapía de losTemperatura de los Gases.
deficiencia dentro
puede pasar de una
pero debe existir
del sistema,
forma a otra,conservación
84
Por ejemplo, la cantidad de calor entregada por el flujogaseoso en un intercambiador de calor es igual a la
diferencia entre las entalpías de los gases antes y después
del intercambiador puede despreciarse el cambio de alturade tipo, mientras que no se produce el trabajo técnico.
Por eso como base de los cálculos térmicos de los
dispositivos en que se usa el combustible, sirve laentalpía de los productos de combustión, 1a cual suele
calcularse según la unidad de Ia cantidad del combustible
a partir del que se han obtenido estos productos:
Hgas = Vg""Cg,"tt (2.22)
,Aquí , t es Ia temperatura y "*rr,
.f / (u3r ) , La capacidad
calorífica media en la gama de temperaturas OoC hasta toC
de los productos de combustión a una presión constante
referida a una cantidad de su volumen en condiciones
normales. La entalpía Hgr, ". mide en J/Kg o .1,/m3. El calor
específico (referido a 1 m3 en condiciones normales) de los
gases de combustión es algo superior al del aire, puesto
que en vez del oxígeno biatómico en estos aparecen loscompuestos triatómicos CO, y HrO que tienen mayor capacidad
calorífica, sin embargo, Ia diferencia no supera del 5% alLO%. IguaI que en todos los gases, la capacidad caloríficade los productos de La combustión crece con eI aumento de
85
la temperatura. Para cálculos más precisos es posible
encontrarla igual que La capaeidad calorífica de la mezcla
según la composición de los gases:
r.i,¡ L.{.j?' '.: :: - .. r ."::
¡Jr, r¡,il
Donde Ci v ri son el calor específico por unidad de volumen
y la concentración total (en volumen) de los componentes,
puesto que el volumen de los productos de la combustión Ygas
crece con el aumento de aa , entonces su entalPÍa, según
eI método de cálculos aceptando por unidad de cantidad de
calor y no productos de la combustión también aumenta en
este caso. En La práct-i''ca de la go,nstrucción de calderas
el cálculo de.las entalp,ías esüá unificado.y se lleva a
cabo según 1a fórmula:
Cgae = C*rt N, + Coz' Oz + Coz' Co, + C'¡ro' HzO
Hsaa = It$"+ ( co- t) H:
(2.23)
(2.24)
Donde Hi"" es la entalpía de los productos de combustión
de combustible dado a tempsratura determinadauna
l
H:
v
unaua = 1, mientras que es la entalpía de1 aire ( a
misma temperatura) gue es teóricamente necesario pata la
total quema de una unidad de cantidad del
86
combustible dado.
z.LL. ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE ESCAPE
Mediante el conocido aparto de ORSAT puede efectuarse un
análisis de los productos de escape a partir del cual es
posible calcular la relación aire/combustible. También
puede determinarse el grado de efectividad de la
eombustión, y este dato es de vital importancia para el
buen funcionamiento de un hogar o de un motor.
2.L2. PROBLET¡TAS DE APLICACION
Problema 2.I.
El análisis de ciertos gases de escape da los siguientes
porcentajes en volumen: COZ = ,L2.L; Ol = 0.3; CO = 3.3;
H2 = 1.3; CH¡ = 0.3; Nl = 82.7. SuPoniendo que elcombustible sea un hidroearburo de la forma C*H, encontrar:
1. Los valores
2. Establecer
3. Determinar
xyyi
ecuación de combustión.
relación airelcombustible.
de
Ia
1a
Solución:
1. CrHy + a O2 +82.7 N2---->L2.L COZ + (0.3) 02 + 3.3 cO +
87
f.t
en
1.3H1 + 0.3CHO + 82.7 N, + b H2O
donde a
b
: Moles de
: Moles de
- i, ,ox]-geno (en er
vapor de agua
aire suministrado).
(en los productos).
oz = LZ'L +
H2
a=82.7/3.76=22
x=I2.L+3.3+0.3=L5.7
'i
0.3 + 3.3/2 = 14.05 (en gases
b=(22:L4.05)2=15.9
= 1.3 + 2(0.3) + 15.9 = 17.8
secos )
Y = 2 Hl = 35'6
2. Lá ecuación de eombustión es:
3.
ClS.iH3s,O * (22\OZ + 82.7Nl
0. 3CH +82 . 7Nr+15 . 9IIZO
La relación aire/combustible por kilogramo es:
Relación aire/eombusti . =(22+gZ) *(A2.8*28.2) =t3.5Kg(]-5.7'*tZ) + (35.6 *1)
Aunque x e y han sido determinados, Ia composición de1
combustible no queda definida en la forma decisiva. En
realidad puede involucrase más o menos 1 mol de
combustible de tal modo que x e y se reduzca a números
enteros al ser multipl-icados por una constante' Z (CxHy).
88
'Problema 2.2-
Determinar a la salida del hogar, €1 volumen de losproductos de la combustión completa de 1 Kg de carbón de
piedra de la marca K de Ia siguiente composición: Ca =
54.7%; Ha = 3.3%; SÍot = 0.8%i Na = 0.8%; Oa = 4.8%; Aa =
27.6%; trf = 8.0%. El coeficiente de exceso de aire en eI
hogar dh = 1.3.
Solución:
Er volumen teórico de aire que se requiere para quemar
compretamente 1 Kg de combustible, se determina en base a
la fórmula:
Vo = 0.089C.+0 .266Ha+0.033 (S,á¡ -O"l (2.25)
esto es:
v0=0.089 (54.7) + o.266 (3.3) + 0.033 (0.8-4.8) = 5.61 m3/xg
El volumen de los gases secos para ch = 1.3, se determina
con ayuda de Ia siguiente fórmula:
89
Vr.o = VRO.+vtl"* (co-1) Vo (2.26)
Reemplazando por 1os valores correspondientes se tiene:
vg,r=o.0187(ca+0.375 s,iot ) + 0 .7gv0 + 0.8tla/100 + ( cn -1)v0
= 0.OlB7(54.7 + 0.375(0.8)) + O.79 (5.61)
(0.8/100) + (1.3-1)(5.61 = 7.L5 ^3/xe.
0.8
volumen de los productos de la combustión Se determina
base a La fórmula:
V" = Vs.e+WIzO (2 .27 )
esto es:
Yg = 7.15 +t
0.58 = 7.73 m"/KB
2.L3. INSTRTIITIENTOS DE MEDICION PA,RA GASES DE ESCAPE
El análisis de gases de combustión normalmente se teaLiza
con el llamado "APARATO DE ORSAT", con instrumentos
electrónicos o con eI "ANALIZADOR BACHARAT" ' siendo este
último el de más bajo costo, más sencillo de manejar y de
tr-fr'*ffiirJ Atriánonr¡ de 0ccidcnt¡ II sEcctot{ ilisLllIIEcA II*-¿
E1
en
90
poco mantenimiento. un anarizador electrónico puede eostar
varios miles de dólares y requiere frecuentemente chequeo
y mantenimiento.
El análisis de los gases se usa para determinar la relaciónaire/eombustible y evaluar la calidad de Ia eombustión.
En analizador orsat requiere un operario experimentado,
pero es el más conocido en nuestro medio y por tal tazón se
dará una explicación completa sobre su manejo.
2.13.1. Operación del
Combustión. El Orsat es un
porcentualmente en volumen
y otros gases menores como
Aparato Orsat y Análisis de
aparato que permite cuantificarel contenido de CO2, OZ, CO, Nl
CH¡ y Ht.
En la Figura L7, se ilustra un modelo portátil; consta de
una bureta de 100 centímetros cúbicos graduada en su parteinferior de 0 a 20 cil, y de una serie de pipetas de
absorción para determinar los porcentajes de bióxido de
carbono, oxígeno y monóxido de carbono.
Algunos modelos pueden traer pipetas adicionales para ladeterminación directa de nitrógeno u otros gases. La
bureta de medición está inmersa en un tubo de protecciónque permite crear una .chaqueta de agua para asegurar una
temperatura constante en la muestra de gas.
91YálYule rlc entr¡d¡¡ la Plpúe dc co
Válvula d! ontlede Válwla do onttad¡a la p¡pota dc ()2 a ¡¡
Válvula dc rntr.dra la hufotr
FIGURA 17. AParato de Orsat TíPico
Las pipetas contienen soluciones químicas que permiten
absorber los diferentes gases: hidróxido de potasio para
CO2, ácído pirogáIico para 02t y cloruro cuproso para el CO'
Antes de las pruebas, diehas soluciones deben encontrarse
92
aL nivel adecuado en eI tubo capilar, con el fin de tener
los puntos de referencia necesarios para ras mediciones,
2. 13.1. 1. Análisis de Ia t¡Iuestra. El procedimiento para
anaLízar una prueba se puede resumir como sigue: se
introduce una muestra de gas a través de la válvula de
entrada (a) al interior de la bureta graduada (e),utilizando una pera de absoreión y bajando la botellaniveladora (f), la cual contiene el Iíquido (usualmente
agúa) que regula el nivel de muestra de la bureta.Seguidamente se cierra Ia válvula de entrada (a) y se abre
Ia válvula (g) a la atmósfera.
EI gas sobrante
botella hasta que
cero.
Enseguida, abriendo la válvula (d)
niveladora, el gas contenido en
expulsado, elevando e1 nivel de lanivel de líquido coincída con la marca
es
e1
Este procedimiento garantíza que la muestra esté a presión
atmosférica.
En caso de que la muestra tomada no coincida exactamente
con el nivel cero correspondiente a 100 .*3, d"berá anotarse
el nivel, descontarlo en las lecturas posteriores y ruego
porcentualízar de acuerdo con la muestra tomada.
v
1a
elevando la botella
bureta graduada es
93
forzado al interior de la pipeta de COr. Esta contiene una
sólución db hidróxido de potasio que absorbe eI bióxido de
Carbgno. 'Se haCe c'ir'cüla¡da'mgestra vatias vecesi antes
de tomár la lectura para encontrar qué porcentaje de
volumen fue absorbido. Se toma La lectura y se repite la
operación hasta que las dos últimas lecturas coincidan con
el fin de gaxanxízar que todo el COr fue absorbido'
En cada operación es importante verificar que el nivel de
la solución de GOI regrese a Ia posición que anteriormente
tenía en el capilar. Cuando la botella niveladbra se
mahtiene con |os nivéles de agua en (e) y Se pueden tomar
las lecturas, S€ repite eI procedimiento pasando el gas a
tra segunda pipeta que contiene la solución de ácido
pirogálico. En ella se absorbe el oxígeno y el resto del
áas se'. negréSa" a| Ia bureta. Se aconsejan varias
absorciones y lecturas hasta que las dcis últimas coincidan
exactamente.
Cualquier oxígeno no' absorÉido por la solución de ácido
pirogálico, será absorbi'do por el cloruro de amonio y por
consiguiente contará' bomo' monóxido de carbono. Esta
segunda.lecturá' 'boffbbpoñde 'a lbs volúmeines ile COz y 02
contenidos en la muestra.
Por r11üiuio, se repite la,operación en 1a tercera pipeta que
cont'iene éloruro cuproso con el fin de absorbei eI monóxido
94
de carbono presente en la muestra. Esta tercera lecturacorresponde a la suma de 1os volúmenes de CO2, Ol y CO
contenidos en la muestra. En caso de no disponer de
pipetas adicionales se considera que el volumen restantecorresponde al nitrógeno presente en el gas.
2.L3-L.2. Recomendaciones. El orsat debe ser ubicado
convenientemente, libre de corrientes y radiación de calorde calderas cercanas.
Es muy importante tener una muestra representativa del gas.
Usualmente instalando un tubo de cobre de 3/L6,, (o uno de
hierro de L/8", si no se dispone del de cobre) , en un punto
a L/3 deL ancho de la caldera cerca der extremo del últimopaso del gas, se tendrá un punto satisfactorio para la toma
de la muestra. Es también una buena preeaución probar
muestras de gas en varios puntos a 1o largo de latrayectoria, para determinar si hay mucha variación debido
a la infiltración de aire.
2-L3.1.3. Preparación de Reactivos para Aparato de orsat.
2.L3.1.3. 1. Para . Dióxido
355 Er de hidróxido de
purificado cotl alcohol )
volumen de 1000 cm'.
antes de transferirLa a
de Carbono (COl). Se disuelven
potasio ( cp electrolítico no
en agua, diluyendo hasta un
solución se debe enfriarbotella niveladora.
La
1a
electrolítico puro diluido en agua hasta 1000 "*3.
2.L3.r.3.2. Pafa Oxígeno (or) Se disuelven 2OO Er
de ácido pirogálico (resublimado blanco) en 270 cm3 de agua
fría. En otro recipiente se disuelven 224 gr de hidróxido
de potasio en 516 "*3 de agua. En la preparación de la
solución con que se ha de llenar el vaso del Orsat
correspondiente, S€ adiciona a este 40 volúmenes de
solución de ácido pirogálico a 63 volúmenes de La
solución de hidróxido de Potasio.
2-]-3.1.3.3. Para Monóxido de carbono (co). se disuelven
180 Er de cloruro cuproso (cp) en 1000 .*3 de ácido
hidroclórico concentrado (ep), añadir 300 .*3 de agua
y hervir suavemente y aflojar la tapa del frasco para
remover el calor.
95
En reempLazo
preparada
El cloruro cuproso tiene la
solución se debe conservar en
propósito se emPlean láminas o
la solución.
anterior solución a veees se émplea otra
315 gr de hidróxido de sodio
tendencia de oxidarse l¡ la
forma reducida. Para este
alambres de cobre dentro de
de la
con
2.L3.2. Puntos de Toma de Muestras. Tanto si se util.ízan
elementos individualizados para la medida de cada parámetro
como se emplea alguno de los equipos compactos que pueden
96
medir diferentes parámetros, la primera decisión a tomar es
determinar dónde se reaLízará la muestra. En generalr €s
necesario efectuar un orificio de unos 3/B de pulgada para
acceder a la chimenea o ducto de humos.
Por este orificio se introduce La probetar gü€ puede ser
rígida o flexible. Las probetas rígidas pueden ser
expuestas a temperaturas de hasta 525oc, mientras que las
flexibles admiten hasta 390"C.
Para calderas pequeñas se puede tener en cuenta larecomendación de localizar el punto de toma de muestras 1o
más cerca posible de La cámara de humos y, al menos de seispulgadas de Ia distancia de la c,ara del horno en que se
encuentra eI regulador de tiro (si se quema fuel) o eldesviador (si se quema gas)
Para carderas grandes er punto de toma se debe rocaLízar
después de1 ú1timo elemento cambiador de calor(economizador, recuperador) con 1o que la temperatura de
humos será función de la efectividad de estos erementos.
sin embargo, cuanto más lejos del economizador se sitúe latoma, mayor cantidad de calor se habrá podido disipar a
través de Ia chimenea y, por consiguiente, menor exactitudse tendrá en las concrusiones que se infieran de lasmedidas realizadas.
97
Otro factor a tener en cuenta son las turbulencias que
pueden provocar Ia toma o las turbulencias propias de los
gases de combustión. Habitualmente haciendo las tomas a
8.5 diámetros de dist.ancia de un codo u otra causa de
turbulencia se eliminará este efecto.
Fa,ra estar seguro de...la fepressnta:tiwidad' de una muestra en
chiméheasiJ'riir.ér ' :éündtictos::i dé di.¿imb-uro' -:jrimpo:ñtdr,rte¡;' .:-és
conveniente real-j,zar diversas tomas a distintas
profundid.ades y promediar los "resultados'.'':.'....
También hay que evitar
de toma o por otros
aumentará falsamente el
j.
Ias entradas de aire Por los Puntos
puntos, porque en este supuesto
porcentaje de Or.
2.I_3.3. Test de COZ. Ya se ha dicho que la cantidad de
COI se puede utilizar como parámetro indicador del exceso
de aire. La medida se tea!íza absorbiendo una Fuestra de
los gases de eombusti,ón, que Se ar¡aLíza mediante alguna de
las reaeciones típicas. Por ejemplo:, el FYRITE emplea el
conocido método Orsat de medida volumétrica efectuando Ia
absorción de la muestra de gas por rnedio de ufl.a solución
qúímica: " -i " :: "" ; "':
Consta de un cuerpo de p1ástico transparente con dos
depósitos, uno superior y otro inferior. El fondo del
depósi.to inferior 'está cerrado herméticamente por un
diafragma de caucho sintético que
de metal perforado.
98
descansa sobre una plaea
El depósito superior lleva una válvula de doble asiente que
1o comunica bien sea con la atmósfera, bíen sea con eldepósito inferior a través de1 cuerpo.
Par hacer un análisis con este aparato se introduce eltubo de toma de muestra en el gas a analízar.. EI otroextremo del tubo se apoya en una válvula resorte que abre
un paso al depósito superior y cierra el paso a lacomunicación con el depósito inferior. A continuación se
bombea una muestra de gas al depósito superior por
accionamiento de una pera (conviene hacer varíos
accionamientos para asegurarse de que el tubo de toma y eIdepósito superior están totalmente libres de la muestra
anaLízada anteriormente). A1 hacer la últiura presión se
retira el tubo con eI que queda cerrada la cámara superiorconteniendo 60
"*3 de gas.
En el cuerpo central se enrasa el cero de la escala con elnivel de líquido. Se invierte el aparto, obligando a lamuestra de gas a borbotear a través del líquido reactivoque absorbe el CO2, creando una depresión que obliga aldiafragma a contraerse.
Al volver el aparato a su posición normal, la contracción
99
de1 diafragma provoca una
conducto central indieando
porcentaje de COr contenido
elevación del Iíquido Por
díreetamente en la escala
en el gas absorbido.
eI
e1
E1
de
objetivo debe ser siempre alcanzat el Máximo porcentaje
COt compatible con unos humos satlsfactorios.
Cuando'tan sólo son necesarios pequeños ajustes, un 10% de
COI con una lectura de humos del número 2 ( se verá
posteriormente), puede considerarse satisfactorj-o. Si se
quiere ajustes o reparaciones de mayor importancia, se
puede seguir la siguiente regla:
Cuando la,tempetatura neta de los gases es menor de 200oC'
se puede tolerar como máximo un 8% de COZ.
Cuando la temperatura neta de los gases está por
los 260oC, se debe al-c,anzat, al menos, un 9% de
encima de
coz'
Un bajo porcenta:ie de COI es indicatfvo de laguna de las
siguientes condiciones que cleben corregi-rse:
Tiro excesivo.
Exceso de aire en combustión.
Universidad AutÚnoma dc Occidcntc ÍsEccl0N BlBLl0'rEcA I
Filtraciones de aire.
100
Hogar incorrecto o defectuoso.
Mala pulverización del fuel.
Boquilla gastada, obstruida o incorreeta.
Defectos en el ventilador y conductos de aire.
Mal funcionamiento del regulador de tiro.
Presión de fuel incoirecta.
Si hay mucha diferencia entre las lecturas de COI con
muestras tomadas en el conducto de humos y en eI hogarr €s
indicativo de filtraciones de aire y otras condiciones de
combustión insatisfactorias.
2.13.4. Test de O2. El porcentaje de COZ presente en losgases de combustión varían para un mismo exceso de aire en
función del combustible que se emplea. EI porcentaje de
oxígeno, al contrario, permanece prácticamente constante.
Otra ventaja de uti1ízar eL O, como indicador es que no se
encuentra presente cuando los excesos de aire son muy
baj os
Es difícil recomendar un exceso de aire determinado, puesto
101
qué éste'.es'.función dét materlal qt¡e;s'e ütiLíza. Si este
es: efi'ciérité itebe bastar cc'n' excéSos: :dej':a'i're éompfendidds
entr'é é1' 16%') y el 35% (3%-'aj:5%i'de Oi) . Equipos-péqueñÓg'con
menos rehdimi-ento operari entre un 3'0'% y 7'5% (5%' y 9 ":3% -de
Ol ) de ex'ceso de aire. La medida del O, se hace siguiendo
el mistto principÍ-o " que para medir CO2 , utilizando e1
reactiVo adecuádo. La Figura 18, nuestra Ia reldción
entre O2r CO2 y excéÉir de aire....:!. ..tr- u :.1,,.t:i,li j.: :::..-,.i..,..,._ r,
:<t¡¡zt¡J
=Io.Jzl¡¡
d.o'ol''cfl¡¡oz
',]U-fJozu¡
¡e
% EXCESO DE AIRE
Relación entre Oi, CO¿ y Exceso dé Aire.
da anlraclla
bltumlno¡o
FIGUR^A" 1.8.
LO2
2.13.5. Test de Temperatura. La temperatura de los gases,
como eI exceso de aire, varÍan según cuál sea eI equipo que
se utíTíza. También aquí }:.ay que atender a las
especificaciones del fabricante; sin embargo, s€ puede
utilizar Ia siguiente guía para pequeños equipos:
Quemadores de fuel en calderas proyectadas para carbón:
245"C a 350'C.
Unidades previstas
240" C.
inicialmente para fuel: 180oC a
Quemadores de gas con conducto de humos exterior; 22O"C
a 295"C.
Para equipos grandes hay que instalar economizadores para
que estas temperaturas sean menores.
Las causas de temperaturas de humos elevadas son muchas y
variadas, pero se pueden ít deteetando en combinación con
otros parámetros.
Por ejemplo, si hay poco exceso de aire hay que pensar en
ensuciamiento de Ias superficies de intercambio. Si elexceso de aire es importante, un tiro excesivo puede ser lacausa. Si el exceso de aire es correcto y las superficiesde intercambio de calor están limpias, hay que pensar que
103
é1. defecto es de'diseño de las superficies de intercambio.
Las medidas se efectúan eon un termómetro de chimenea que
se puede introducir por el mismo orificio que sirve para la
toma de muestras.
2.L3.6. Test de CO. Es el mejor indicador de combustión
incompleta cuando se quema gas. Recuérdese que es uno de
los productos de una combustión incompleta y habitualmente
va acompañado de unq cqncentraeión equivalente de hidrógeno
(t) no quemado.
Las concentraciones de CO no deben exceder de 400 p.p.m.
(0.04%), valor especificado en algunas legislaciones y
recogido en los datos suministrados por mayor parte de
fabricantes.
Como :causaS de la presencia d9 CO en los gases de
combqqfíóp Fe pueden citar todas las que producen humo
cuando se quema fuel". Fara medir pangq*tr9c+9.,q"". 1."
CO en
los gases de combustión se puede utilizar el nonoxor o
cualquier otro aparato parecido.
La muestra de gas se toma por el mismo orificio de conducto
de humos usado para el test de1 COl. La muestra de gas se
aspira primero dentro de la cámara del monoxor y luego Se
iprpulsa a través del tubp indicador del mismo.
104
Este tubo indicador se inserta en el conector de goma del
monoxorr gu€ va provisto de una bomba de succión operada
manualmente por un botón en su parte central.
El tubo indicador de1 monoxor está lleno de un producto
químico de color amarillo sensible al CO. El contenido de
CO de Ia muestra es absorbido por este producto químico,
que cambia de color volviéndose marrón oscuro la longitud
de esta mancha de marrón es directamente proporcional alcontenido de CO, que se puede leer en la escala que l1eva
incorporada el aparato. El tubo se puede usar para dos
tests invirtiéndolo, siempre que la mancha del primer testno sobrepase la mitad de la zorta llena del reactivoamarillo.
Este sistema de medida se utiliza para gases diversos,
cambiando los reactivos.
2-L3-7 - Test de Hurnos. El humo es eI mejor indicador de
combustión incompreta en 1os quemadores de combustibre
líquido. Los medidores de opacidad de humos utilizan elprincipio de comparar la traza qve dejan los humos en un
papel de filtro con un patrón.
La experiencia ha permitido numerar las tonalidades de estepatrón y derivar conclusiones prácticas de la comparación.
como se traxa de técnicas convencionales, no se deben
105
utilizar escalas de unos
porque se podrían s-acar
aparatos como referencia de otros,
conclusiones erróneas..
La escala de humos BACHARACH, está numerada del
corrésbondiente-al blanco, hasta el O, negro.
Con una bomba adbcuada se toman 22OO "*3 de gas de
combustión (diel áspiraciones completas) conduciéndóIas a
través de un papel filtro de trama standard sobre un área
circular de 36 tn*2. La mancha hEí obtenida, irlcolora, de
color gris o negro, s€ compara con la eseala' antes citada
y se obtiene una referencia que junto con la indicación de
COI y La temperatura de los gases, permitírá realízar los
ajustes precisos del quemador. La aspiración de gases se
debe real-izar cuando eI quemador 1leve funcionando al menos
cinco minutos.
Como ejemplo del significado de las distintas tonalidades
de la escala de humos Bacharach, a continuación Se citan
las cinco primeras tonalidades:
NT'UEROBACHARACH
1
2I -.i.,
:,: ,i
CAMCTERISTICAS DE LA COI¡IBUSTION
Excelente. Hollín prácticamente nulo.
Buena. Ho11ín presente en valores muyreducidos, solo en ciertos tipos degeneradores. Temperatura de humos sin
'incrementoiápreciablé."t' i' :''
:Medi.aná;, Ciertá' carrtidad deihollin puédét:
106
estar presente. Normalmente no seránecesario limpiar más de una vez al año.
Pobre. El humo comienza a ser visible.Algunos generadores se ensuc'1-anrápidamente con el hollÍn; otros sólomoderadamente.
Muy Pobre. En todo tipo de generador seproducen ensuciamientos, exigiendo variasoperaciones de limpieza al año.
A partir del número 5 las combustiones son inadmisibles.Nótese que un mismo número de opacidad no produce siempre
los mismos depósitos de hollín. Depende del tipo de
generador, del tipo de combustible y de otros factores.
En la Figura 19, se resume el resultado de un conjunto de
experiencias realízadas que permiten comparar las pérdidas
de combustible, la disminución der rendimiento o eficienciade la combustión y el incremento de la temperatura de los
humos, con los primeros valores de opacidad de humos de laescala Bacharach. Los valores se han medido después de
funcionar del orden de ochocientas horas en cada posición.
2.13.8. Test de Tiro. De todo 1o que se ha dicho
anteriormente se infiere que Ia medida del tiro es esencial
en el test de eombustión, puesto que el tiro determina lavelocidad a la que los gases de combustión pasan a través
del horno o caldera.
La intensidad del tiro también determina la verocidad a la
LO7
que fluye el aire- secundario '(tifo hatural- o'inducido)'Ó a
la que es impulsado:-('tlrb forzado) hacia el interior del
equipo..'' .:.:.,i
Porortrlr de páfdld| doiÉombustlblr on l¡.cbmbu¡tlón ": ' ;
//
'lncrcmcnto roblo la trmpalatura do los humos collacta. Enoc
ol2tata
ilúmoro osc¡la do humos Baéharach
Conrllcloncs al Inldar la prucbai
I O% CO2 y 250'G tompor¡tura ncta
FIGURA f9. Efecto del Humo en los Gases, €D laTemperatura de los Mismos, Consumo de Fuel yEficacia de la Combustión.
Como se ha visto anteriormente, üD exceso de aire
insuficiente puede causar humos espesos y altas
Porccntalc de dlsmlnuplón dcl rcndlmlcrito
concentrac.iones de CO. Demasiado
tener temperaturas de salida de
tanto, mayores pérdidas.
108
exceso de aire significahumos más altas V, por
Para la medida del tiro deben hacerse dos lecturas, una en
Ia misma zona de combustión y otra en el conducto de humos,
en el mismo orificio donde se han efectuado las otras
mediciones.
Se puede utilizar manómetros inclinados, que sirven para
medir tiros positivos y negativos y de cualquier tipo u
otros aparatos específicos para un tiro no menor de
0.5 mm. c.d.a. Este valor debe ser suficíente para iniciary mantener una buena combustión, si es menor de 0.5 mm.
c.d.a. habrá escape de humo y olores.
3. ESQUEIIAS DE GENERACION DE VAPOR
3.1. QUE ES EL VAPOR ?
Como otras sustancias, el agua puede estar en estado
sólido, llamado hielo, €fl estado líquido, gu€ es cuando se
le llama agua, o como gas que se conoce como vapor.
Si se añade calor aI agua, su temperatura aumenta hasta que
alcanza un valor a partir del cual ya no puede subir como
líquido, a este valor se le denomina punto de saturación.
Cualquier nueva adición de energía provoca que parte del
agua hierva y se convierta en vapor.
3.1.1. Por Qué se Usa el Vapor ?. El vapor ha sido
utilizado como vehículo de energía desde la revolución
industrial. Después de su primera utilización para
preparar alimentos, se ha convertido en una flexible y
versátil herramienta para la industria ya que eI vapor se
produce evaporando agua que es relativamente barata y
accesible en gran parte del mundo.
i.T-':-' --I u''*"dll1,áitT¡f,ffiffi.1
110
La energía química contenida en el carbón,83s u otro
combustible de caldera se convierte en energía ealorífica
al quemarse éstos. Esta energía calorífica se transmite a
través de las paredes del hogar de la caldera hasta el
agua. EI vapor que se genera en la caldera se debe
transportar mediante tuberías a los lugares donde se
requiere energía calorífica.
En primer lugar, habrá una o más tuberías principales o
tuberías de distribución, desde Ia caldera hasta las zonas
consumidoras de vapor. A partir de estas tuberías otras de
menor diámetro transportan e1 vapor hasta los equipos
individuales. Cuando la válvu1a de salida de la caldera
se abre (lentamente) el vapor sale inmediatamente hacia la
tubería de distribución. Puesto que ésta, inicia]-mente'
está fría, el vapor le transmitirá el calor.
El aire que rodea las tuberÍas también está más frío que el
vapor, con 1o cual e1 sistema a medida que s'e calienta
empieza a írradíar calor al aire. Esta pérdida de calor a
la atmósfera provoca que una parte del vapor condense, El
agua formada por condensación cae a la parte baja de Ia
tubería y circula empujada por eI flujo de vapor hasta los
puntos bajos de la tubería de distribución.
Cuando una válvula de un aparato consumidor de vapor abre,
este vapor que procede del sistema de distribucíón entra en
111
el equipo y vuelve a ponerse en contacto con superficiesmás frías. Cede su entalpía de evaporización (la entalpíaque produce un cambio de estado de líquido a gas sinvariación de temperatura) y condensa, Se establece un
flujo continuo de vapor que sale de la caldera. para
poderlo suministrar se debe generar vapor continuamente.
Por ello, se inyecta combustible al horno y se bombea agua
a la caldera para compensar la que se evapora. Se sabe que
La entalpía específica der agua saturada aumenta en 4186
KJ/Kg cuando la temperatura aumenta loC.
Si se introduee agua caliente en Ia caldera en lugar de
agua fría se deberá añadir menos entalpía para llevar elagua a su punto de ebulliciónr con la eonsiguient.e
reduceión de 1a cantidad de combustible necesaria para
generar vapor.
El condensado que se forma en ras tuberías de distribucióhy en los equipos de proceso se puede utilizar para esta
alimentación de la caldera con agua caliente. por ello,los sistemas básicos de vapor (véase Figura 20) se deben
complementar como se muestra en las FLguras 2L, 22 y 23,
que son esquemas de generación de vapor . La Figura 24,
muestra un esquema tecnológico de producción de vapor en
una termoeléctrica que trabaja con carbón, y la Figura 25,
muestra un generador de vapor de tipo paquete.
rL2
RELACION DE PARTES: a) Clrculedón n.tural;b. Glrculaclón torzada; c. Clreulacló¡r dhocta:d, Glrcr¡laclón comblnada: l. Ecot|omlz¡rlor; 2.Prntallas de radladón o suporfclca dccyeporadón; 3. Rscalsmadol ds Vrpor; 4. Domosopararlor; 5. Bomba de allmcntedón; 6. Bombadol agüa dc clrculadón: 7. Tuboe balanlca: 8.Colocto? Infcilor; 9. llozdador: tO. Yálvula derótorno; 11. Válvula d. peeo; 12. Bomb¡ d.clrcr¡laclón do agua.
FIGURA 20. Esquemas Básicos de Generación de Vapor.
I
¡
I
CABEZAL DE VAPOR
I
Diagrama de una Planta deRudiment aria.
FIGURA 2L. Potencia de VaPor
113
+-
<'- - - - - iCo¡d.n.rdo
Eomba daAllm.nt!clón Trnqu. .lc
Allm.nteclón
FIGURA 22. Circuito de Vapor.
RELAGION DE PARTE$: ¡. Plrnt¡ dc gcneredón por @nddtreclón (produco sol.montecncrgfa clóctrlca)¡ b. p¡.nta de gcnereclón comblnrda (pl¡nt. do cogcnor.dón). f.Ca¡düa¡ 2. TuÉlne rla Yapot: 3. Gtnüador ctáctrlco¡ {. Cordensador; 5. Bomba do' condcns¡do; 6. Bomba do ¡llmütacl6n= 7. prrcalcntador dc b¡lr prcelón; g.Procalont¡dor dr alte prcelón;9. Dosalro¡dor; lO. ptocatontador dc egue da coneumo;11. Extlacdón dc vapor Influrtlr¡l;1?. Equrpo do t?atamlento da agu¡.
FTGURA 23. Esquemas sencillos de plantas de Generaciónde Vapor.
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E.€ E t,'"Ei i ;E:É;::i í¡:":i E .f!i ii ¡
l¡iiiiiiiiiiiii¡ii¡i
Esquema Tecnológico de Producción de Vaporen una Termoeléetrica que Trabaja conCarbón.
FIGURA 24.
115
FIGURA 25. Generador de Vapor de Tipo Paquete.
4. BALANCE TERMICO EN LAS CALDERAS, SU RENDIT{IENTO
Y CONSIIT¡TO DE COMBUSTIBLE
Llamase balance térmico a Ia igualdad der caror introducido
en eI equipo de la caldera, aI quemar el combustible, en elcalor aprovechado y las pérdidas de calor. El balance
térmico de un generador de vapor se compone respecto a una
unidad de masa del combustible quemado, o sea un kilogramo
de combustible sólido o líquido, o para un metro cúbico de
combustible gaseoso, conforme el estado térmico estabrecido
del equipo de la caldera.
4.L. ECUACION DE BATANCE TERITIICO
La ecuación del balance térmico en KJ/Kg,KJr/n3, es:
Qtd = Qt + Qt + Ql * Q¿ * Q¡ * et (4.1)
o bien, €D tantos por ciento del caror 'disponibre delcombustible:
% = (a¡/a¿)100 o sea, 100 = el+92+93+9¿+e5+q, (4.2)
a1 = (Q¡/Qa¿)1o0; q2
En las ecuaciones ( 4. 1 ) Y (4 -2) z
= (Q2lQa6)roo' .erc
LL7
Donde:
Q,A
Q1(o1)
Q2 ( e2)
Q3 (o3)
Qa(ea)
Q5(o5)
a6(q)
(4.3)
(4 .4)
Calor disporrible o sea 1o que le entra al equipode caldera.
Calor aprovechado en el equipo de caldera paraobtener vapor.
Pérdidas de calor eon humos o gases de escape'
Pérdidas de caLor por combustión químicaincompleta.
Pérdidas de calor Por la combustiónmecánicamente incomPleta .
Pérdidas de calor al medi-o ambiente.
Pérdidas en forma de calor físico con la escoria( cenizas qt¡e salen al medio ambiente con unatemperatura relativamente alta) .
El calor disponible (KJ/Kg, KJ/m3) por 1 Kg de combustible
sólido, líquido o por 1 m3 de combustible gaseoso se
determina a partir de las siguientes fórmulas:
Donde:
Qai Y Qsi :
Qtd = Qti * Q.o. * %.iut * Qrp -'Qr*
Qtd = Qti * Qro, * %.iot * Qrp(4.s)
Poder calorífico inferior de Ia masaaprovechable del combustible sólido y 1íquidoy la masa seca del eombustible gaseoso'
Qro,
Qa, int :
Qrrp
Q,,,
1187
KJlKe(KJ/m').
: Ca.lor físico de1 combustible.
Calor introducido con el aire pero calentado enun medio externo del equipo dq caldera(precalentador de aire), KJ/Ke (KUmr).
: Calor que entra al hogar con eI vapor utilizadopara atomizpr fuel-oi1 o combustible líquido,KJ /Kg ( KJlm') .
Calor invertido para la descomposición decarbonatos durante la combustióncombustible só1ido, KJ/Kg.
1osde1
4.2. CALOR FISICO DEL COITIBUSTIBLE
Se calcula mediante la siguiente fórmula:
Donde r C'rorb :
+."conb
^FAQcot = c'conb tconb
Capacidad calorífica ¿'e fa masadel combustible, KJlKe.K) .
Temperatura del combustible ael hogar, oC.
(4.6)
aprovechable
Ia entrada en
4.3. CAPACIDAD CALORIFICA DE LA MASA APROVECIIABLE
La capacidad calorífica de Ia masa aprovechable del
combustible:
C" "*n = Cs"*,ol9iA#t +CnzoL (4.7 )
Donde Ctrorb, CHz0 : Capacidades caloríficas de Ia masa seca
119
Antracita
Carbón Pardo
de1 combustiblerespectivamente ,
sólido yKJ/(Ke.K).
el agua
Los valores de Ctrorb para algunos combustibles son!
0.92L.
1.088.
Esquistos
Carbón de Piedra
Turba Fresada
= | .046.
o .962.
L.297.
(4.e)
(4.8)
EI calor físico del combustible se toma en consideración
siempre que este esté calentado previamente fuera de la
calderar por ejemplo calentador de aire a vapor.
El calor introducido al hogar por el aire es:
Qa.tn¿ = unVoClPAt, o
La capacidad ealorífica del mazút es:
Ctrorb = L.74 + 0.0025 teonb
üa.int = üV!¡r"Ctp ( t.t.- t^.trtol KJ/ Kg
Donde gh
\fCoeficiente de exceso de aire en el hogar.
Volumen teórico de aire que sQ necesíXa paraquemar 1 Kg de combustible, m'lKg.
Capacidad calorífica media volumétrica delaire a presión constante, a Ia temperatqradel aire de ahasta 300oC, C'p = 1.33 KJ/n"K.
c'p
@
At : Diferenciacalentado
de temperaturasfrío, oC.
120
del aire
4.4. CATOR INTRODUCIDO
CON VAPOR
EN EL HOGAR AL EFECTUAR EL SOPLADO
El calor introducido en el hogar al efectuar el soprado con
vapor
Qtp = w'rp (\rp 22601, (4.10)
Donde l'i,rp y hrrn son el gasto y la entalpía del vapor
utilizado para el soplado y la pulverización del
combustible, respectivamente, (Kg vapor de aire ) / (Kg
combustible ) y KJ /Kg; para eI soplado %rp = O.7 a 0. g
Kg/Kg; para Ia pulverización efectuada mediante losin5rectores de vapor l^Iurp = 0.35 Re/Kg; mediante inyectores
mecánicos de vapor WrrO = 0.03 a 0.035 Kg/Kg, 2260 es laentalpía del vapor de agua tomada a ra temperatura de
salida de los gases de la caldera.
4.5. CALOR INVERTIDO PARA DESCOIIPONER LOS CARBONATOS
DURANTE LA COI|BUSTTON DE LOS ESQUTSTOS
calor invertido para descomponer los carbonatos durante
combustión de los esquistos es:
EI
Ia
(4.11)
Donde K es
carbonatos.
e1 coeficiente de descomposición de los
4.6- CALOR APROVECHADO EN Et EQUTPO DE LA CATDERA (Ql)
Qr., = 40.6 K(Co2)as¿¡
El calor (KJ/Kg)
o
ar=T lhn.r-ha.a)
Donde h, V h,
om"
a
aprovechado en el equipo de la caldera es:
(h"."-h^.") I *¡ñr., (¡¡y.E-ha.a) (4.L2)
(4.13)
L2L
* ñ,u'otB
oonde d,r, \,, son el gasto de vapor recalentado y saturado,
respectivamente, Kg/s; B el gasto de combustible, Kg/s;
hv.r, hv.s, ha,a, las entalpías de1 vapor recalentado y
saturado de la caldera y eI agua de alímentación
respectivamente , KJ /KE; mpurga e1 valor del barrido
continuo, %.
4-6.1- Calor Aprovechado en Ia Caldera para Calentar Agua'
El calor aprovechado en la caldera pata calentar agua:
o, = # (hz-41
Entalpías del agua que entra en Ia calderay sale de ella, respectivamente, KJ/Kg
Gasto de a9va en Kg/s.
4.6.2. Calor Ultimamente Aprovechado en el Equipo
Caldera. EI calor ("A) últimamente aprovechado en elde la caldera:
e1 = (Qr /Qal loo
4.7. PERDIDAS DE CALOR CON LOS GASES DE ESCAPE
- Haire frío
1 ) Hoai¡e - Haire frío
]-22
de la
equipo
(4.L4)
Las pérdidas de calor (KJlKg) con los gases de eseape (Qr )
dependen de la unidad de combustible, que la tgrses sea altaY AZ alto.
si las paredes o superficies en el hogar se encuentran
sucias, la transferencia de calor disminuye por 1o tantolos gases de combustión sardrán a una temperatura de 120.c
a 160"c muchísimo mayor que la temperatura del medio
ambiente, existiendo un A t que podría ser aprovechado.
Q2 = Hgases
Q2=tor+(c
Donde:
Hoo = VoC'p to: Entalpía teórica de los gases de escape.ÉÉ-tsVo : Volumen de los gases de escape.
É
c'p : capacídad calorífica volumétrica media de
(4.ls)
L23
los gases a presión constante.
4.8. PERDIDAS DE CALOR POR COMBUSTION QUII'IICA INCOMPLETA
(Q3 )
Las pérdidas de calor (KJlKe) debidas a la combustión
químicamente incompleta (Q3) los productos de esta son: CO'
Hz, cH¿ (gases).
Q3 = Q¿6v¿s* Q*rv*r* Qenrvc*, &,J/ Kd ( 4 . 16 )
Donde a : Poder calorífico de cada elemento.
ez =L26.AV*+LOgVrh+358.2Va\ (4.L7)
Estas pérdidas dependen principalmente del exceso de aire
y de Ia car+a de la caldera. La Figura 4.L, muestra el
exceso de aire versus 43.
4.8.1. Mezcla Completa Ideal (Cámara Perfecta). si la
cámara es perfecta, LA condición para la cual se pueden
presentar pérdidas de 93 es cuando el exceso de aire es
menor que 1.0 (Véase Figura 26) -
4.A.2- Carga Real (Quemador Real). Como el quemador es
real, si el exceso de aire es igual a 1.0, existirán
pérdidas por tal raz6r- se requerirá de un exceso de aire
mayor al ideal.
r24
0.80
FIGURA 26.
1.O2 1.06
a3 Versus Coeficiente de Exeeso de Aire.
4.8.3. Carga Baja (en el Arranque de la Caldera).
si La car'{a es baja la velocidad de reacción es también
baja para un mismo exceso de aire, de igual manera ratemperatura de combustión será relativamente baja. Esto
conlleva a que 1a mezcla aire-combustible sea de mala
calidad.
4.9. PERDIDAS DE CATOR POR COMBUSTION IIECANICA INCOMPLETA
(Qr )
Las pérdidas de calor (KJlKg) debidas a la combustión
l.2p
mecánicamente incompleta (Q4 ) representan la Suma de las
tres eomponentes: las pérdidas de calor con la escoria q.es
(KJlKg), Ias pérdidaS de calor debidas a La caíd'a del
combustible a través de la parrilla Q¿p (KJ/Kg) y las
pérdidas de calor debidas al arrastre de partíeulas de
combustible por los gases de escap" Q.ttt (KJr/Kg), o sea'
Qa=Q*"*QrP*Q*ttt
Las pérdidas de calor (%)
mecánicamente incomPleta son:
Donde A,
aes*P t *arc
crr*p ' crr, :
qo= Ql1oo=327 Aa ("---^ = =?"'! *d^r,z4
e"a- - -
Oao '"ee+P 100-L""*o
(4.18)
debidas a 1a combustión
c"r, (4.r.e)100 -ca¡f
contenido de cenizas en el combustible, %-
Porciones de cenízas contenidas en Iaescoria , caídas a través de la parrillay arrastradas' respecto de La cantidadde cenizas introducidas en eI hogar conel combustible, %.
Contenido de elementos combustibles en laescoria, caídos a través de la parrillay arrastrados por los gases de escape' %-
Estas pérdidas (O4) dependen del tamaño de,las partículas
de combustible (granulometría). Si estas partículas son
demasiado pequeñas pueden ser arrastradas por los gases de
combustión y salir del hogar sin Ser quemadas, también
dependen del exceso de aire y del porcentaje de volátiles.
A menor porcentaje de
mayor cantidad de aire
Q4 aumenta. La Figura
aire.
volátiles, elpor 1o tanto
27, ilustra
. L26
combustible requiere
el riesgo de pérdidas
e¿ versus el exceso de
,r*
,rs
{ou a ra+
{ou zqaqb
s¿r .t
FIGURA 27. g¿ Versus Coeficiente de Exceso de Aire.
Si el exceso de aire ( c ) es mayor que el u óptino, la
temperatura de reacción disminuye y por ende la velocidad
de reacción bajará, además se obtendrá mayor volumen en
aire y en Eases, las partículas no estarán el tiempo
suficiente en la zona de combustión.
t27
4.10. PERDIDAS
HOGAR Y
DE CALOR
COI{DUCTOS
POR ESTRUCTURAS DE PROTECCION DEL
DE GASES DE COIÍVECCTON (Q5).
Las pérdidas de ealor (KJ/Kg)
de protección de1 hogar Y de
convección (Q5) son:
a través de las
1os conductos
estructuras
de gases de
Qs = (c"*orr) (tp*ea- t.orp¡.n¿") xJ/ xg (4.20)
Coeficientes de transferenciaconvección y radiación.
= 55'C media.
Area.
Combustible.
de calor por
AE
Donde ü ct r '
tpared :
A:
B:
Q5 = Qredio A/B: gnedio = 0-2 a 0.3 Kl,rl/m¿
Q5 = (Q5/Q¡) 100 = 0.I% a 0.5%
(4.2L)
( 4 .22)
4.11. PERDIDAS EN FOR}'IA DE CALOR F'ISICO CON LA ESCORIA (Qú)
Las pérdidas en forma de calor físico con escoria (Q6)' se
refiere a las eenizas que salen al medio ambiente eon una
temperatura relativamente alta. Se tiene en cuenta cuando
las cenizas estén en el orden de 1400'C (cenizas líquidas).
d"JC"t.t""
L28
(4.23)Q[e = ñ.vi
Donde aes = 1 - dar, : Fracción de escoria líquida.
A : Fracción de escoria del Combustible.
aesc : aesc = 0.05 0. 1
La Figura 28, muestra la dependencia de las pérdidas con
relación aI exceso de aire.
1
FIGÜRA
oGpt
28. E q; Versus Coeficiente de Exceso de Aire.
L29
El exceso
sumatoria
e1
SU
de
de
aire óptimo se encuentra en
todas las pérdidas presente
punto donde la
valor mínimo.
La Figura 29, ilustra el balance térmico de una caldera de
vapor, los índices h, c, 4t, y esc sígnifican
respectivamente el hogar, €1 conducto convectivo de gases
de escape, arrastre con los gases de escape y la escoria.
o:
o:
q" c
Térmico deFIGURA 29. Balance una Caldera de Vapor.
130
4.I2. RENDIMIENTO DE UNA CATDERA
El rendimiento de una caldera caracteríza la economía del
funcionamiento del mismo y representa la relación del caloraprovechado en el equipo de caldera al calor disponibre del
combustible, o sea:
\Y.o = (o,/ oi) too (4.24)
o bien:
l|i" = 1-oo - (e2*e,*ea+gs+ge )
E1 rendimiento de una instalación
equivale al rendimiento del equipo
los gastos de calor para las
(alumbrado, accionamiento de las
etc), o sea:
(4.25',)
de la caldera (neto)
de caldera descontando
necesidades propias
bombas, ventiladores,
(4.26)
Donde Qo.o, : Gastos de calor para las necesidades propias(KJls).
4-12.L- consumo de combustible. Durante ros cálculos
térmicos de los equipos de caldera se distinguen el consumo
natural de combustibte B y el consumo de cáIculo BrUr.
131
El consumo natural
la fórmula:
(Re/s) de combustible se determina según
(4.27 )
Rendimiento del equipo de caldera (bruto),en %.
Flujo másico de purga.
s,=
calculado (Ke/s) de
cuenta la eombustión
combustible se determina
mecánicamente incompleta :
Br=l(1 -q{/loo) (4.28)
Donde qO : Pérdidas de calor por combustión mecánicamenteincompleta, %,
4.13. PROBLEIT{AS DE APLICACION
Problema 4.1.
En e1 hogar de un equipo de caldera se quema carbón pardo
de la marca P2 de la composición: Ca = 37.3%; Ha = 2.8%;
Strol = 1.0%; Na = 0'9%; oa = LO'5%; Aa = 29'5%; !ü0 = 18'0%'
Determinar en KJ/Kg y en tantos por ciento las pérdidas de
calor debidas a la combustión químicamente incompleta del
combustible, si es sabido que el contenido de monóxido
fr+., I ( hu. r- h^. "*ñouro"/
ao o ) ( ña. c- h". "l
I * fr\. "",
( lr.eet lz tsin|,í."
Donde \T."
o*putga
E1 consumo
teniendo en
L32
carbónico en los gases de escape co = o.z5%, €r de losgases triatómicos ROZ = 17.5% y la temperatura de
combustible a la entrada en el hogar tro, = 2O"C.
Solución:
El poder calorífico de la masa aprovechable de combustible
se determina según la fórmula:
Qf.n = 338C a+tOZSH a-10g . 5 (O a-,9 a ,-t) -25W" =
= 338(37.3) + 1025 (2.8) - 108.s (10.5-1.0) - 2s (18.0)
= L3542 'KJ /Ke.
La capacidad calorífica de ra masa aprovechable de
combustible se determina así:
c"L= c"t#-c,\oE -
= 1.088(100-18)/100 + 4.L9 (18/100) = 1.6s KJ/(KgK)
Et calor físico der combustibre se determina empreando lafórmuIa:
Qro, = ctroraro, = 1. 65 ( 20 ) = 33 KJ /Kg.
El calor disponible se determina como:
133
Las pérdidas de calor debidas
incompleta del combustible se
siguiente fórmula:
Qtd = Qti + Qconb = 13542 + 33 = 13575 KJ/KE
a la combustión químicamente
pueden determinar mediante la
Q3 = 237 (Ca + 0.375 S'ro1) cOl(ROZ + CO)
Q3=232(37.3+0.37s( 1.0) ) (0.2s l/ (L7.5+0.25) = L25.6 KJ/Ks-
o bien en tantos por ciento:
a3 = (Qg/Qaa) 100 = (125.6 / 13575) 100 = o.g3%
Problema 4.2.
En el hogar de una caldera se quema mazttX bajo en azufre de
composición: Ca = 84 .65%; Ha = LL,7%; Savol = O.3e/oi Aa =
0.05%; Oa = O.3%i # = 3.A%. Determinar las pérdidas de
calor en KJ/KB y en Cantos por ciento , attasXrado por los
gases de escape procedentes del equipo de caldera, Si es
sabido que el coeficiente de exceso de aire fuera de éste
ú = l- 35 , La temperatura de los gases de escape a la6,E
salida del último conducto de Sases a'g., = 160"C, Ia
temperatura del aire en la sala de calderas t, = 30'C, la
capacidad calorífica volumétrica media a presión constante
134
Ctp., = L.297 KJ(mrK) y la temperatura de precalentamiento
del mazút tro, = 90'c.
Solución:
se determina er poder calorífico inferior de la masa
aprovechable:
eti = 338ca + 1025Ha 1og. 51oa-sano1) - zsi.,lla =
Qti=338(84.65) + 1025(11.7) - 108.s(0.3-0.3) - 25(3.0)=
Q'i = 40529 KJ/Kg.
La capacidad calorífica del mazút se determina así:
nA-1- c'r - ..74 + 0.0025 tro, = L.74 + 0.0025(90) =
Ctro, = L.g7 KJ/(KgK).
E1 calor . físico del combustible se determina de lasiguiente manera:
Qco, = ctrortro, = 1.97(90) = L77 KJ/Kg
EI calor disponible se calcula como:
Q'di, = Q'i + Qconb = 4O52g + L77 = 40706 RJ/Kg
El volumen teórico de aire necesario para quemar 1 Kg de
135
combustible se determina según Ia fórmula:
v0 = 0.089ca + o.266rf + 0.033(savol - oa) =
\f= 0.089(84.6s) + 0.266(11.7) + 0-033(0.3 - 0.3) =
vo = 10.62 #/xe
El volumen de los gases triatómicos es:
vRo, = 0.0187(Ca + 0.375S4u01) = 0.0187(84.65 + 0.375(0.3)=
IVRO' = 1.58 m'/KE
I
E1 volumen teórico de nitrógeno se determina en base a Ia
fórmula:
voNt = 0.79v0 + 0.8trla/100 = o.7g(10.62) = 8.39 m3/rg
El volumen teórico de los vapores de agua es:
voHro = 0.0124 (9 # + !d) + 0.0161 vo =
v0u2o = 0.0124 (9(11.7)+3.0) + 0.0161(10.62) = 1.51 m3,/rg
La entalpía de los productos de la combustión cuando
üh = 1.0 y t'g., = 160"C, se determina según la fórmula:
Hi = vRor(c{) co"+vrl^(ettl Nr*v^ro(ettl n,o =
136
#, = 1.58(280) + 8.39(208) + 1.51(242) = 25s3 KJ/Kg
La entalpía del aire para sh = 1.0 y t'g., = 160.C se
calcula como:
Hg,, = tog * ( c g.e 1)r0, = 2553 + (1'35 - 1)225L =
"g,, = 3341 RJ/Kg
La entalpía del aire frío se calcula como:
fr,f = VoC'prt, = LO.62(L.2g7 ) (30) = 4:-3 KJ/Kg
Las pérdidas de calor arrastrado por ros gases de escape se
pueden determinar de la siguiente manera:
Qz = (Hg.e-ao."Hf.t, #
Qt = (3341 - 1.3s(4L3)(100-0)ILOO = 2783 KJ/Ks
Para calcular en porcentaje:
92 = (Q2/QaP 100 = (2783/4o706) 100 = 6.8%
t37
Problema 4.3.
Determinar en tanto por ciento las pérdidas de calor al
medio ambiente si Se conocen el eaLor aprovechado en Ia
caldera, ql = 87%, las pérdidas de calor con los gases de
escape 92 = B%, las pérdidas de calor debídas a Ia
combustión químicamente incompleta del combustible
g3 = 0.5%, las pérdidas de ealor debidas a La combustión
mecánicamente incompleta de1 combustible Q¿ = 3.5%, Ia parte
de cenizas de combustible contenida en la escoria aes = 0 - 8 'la capacidad calorífica de la escoria Ces = 0.934 KJ/(KgK)'
la temperatuta de la escoria tes = 600oc, la temperatura del
aire en sala de calderas ta = 30"c, la temperatura del aire
que entra en el hogar t'u = 169'C y el coeficiente de exceso
de aire que entra en el hogar úh = 1.4. El grupo de
caldera funciona a base del earbón de piedra de la marca A,
de la composición: C3 = 62.7%; Ha =3-L%; Savol = 2.8%; Na =
O.9%; Oa = L.7%; Aa = 23.8%; tl = 5.0%.
Solución:
EI poder calorífico inferior de la masa aprovechable del
combustible se determina de la siguiente manera:
Q'i :338ca + 1025H4
Qti = 338(62.s) + 1025(3.
108.5(oa - stuoi) 25wa =
- 108.s(1.7 -2.8) - 25(5.0)=1)
138
Qai = 24365 KJ /Kg
EI volumen teórico de aire es:
v0 = 0.089ca + 0.266Ha + 0.033(savol oa) =
V0 = 0.089(62.7) + O.266(3.1) + 0.033(2.8 - L.7) =
vo = 6 .44 m3 /xe
El calor introducido aI hogar con el aire es:
Qa.int = unVoClp.Lt. =
Qa,in = L'a(0.44)(1.33)(139) = 1668 KJ/Ks
EI calor disponible es:
Q'di, = Qtin + Qa.int = 24365 + 1668 = 26033 KJ/KC
Las pérdidas de caror con el calor de la escoria se
determinan según Ia ecuación (3.21):
ñ a."Cest.Jave-TYcl
Q6 = (0.8)(0.934)(600)(23.8)/26033 = O.4%
Las pérdidas de calor ar medio ambiente se determinan de
acuerdo a la ecuación (3.19):
139
95 = 1oo
95=100-(87+8
+ ql + q3 *94 + ,lO)
0.5 + 3.5 + 0.4) = O.6%
(qr
+
Problema 4.4.
Determinar el rendimiento bruto y neto de una instalación
de calderas que funciona a base de carbón de piedra de la
marca D de la composición: ca = 58.7%; Ha = 4.2%; Savol =
0.3%; Xl¿ = t. 9%; .Oa = 9 .7%; Aa = L3.2?/'; I^ta = Lz.O"/., si es
sabido que el gasto natural de combu,stible B = O-24 Kg/s,
la productividad del vapor recalentado Pu,rr, = 4 MPa, Ia
temperatura del vapor recalentado tn,rec = 450oC, el valor
del barrido continuo P = 3%, la presión del vapor utiTízado
para las necesidades propias en la sala de caldera Pn.o, =
0.5 MPa y su gasto Dn,Dr = 0.01 Kg,/s.
Solueión:
EI poder calor inferior de
combustible se determina asi:
1a masa aprovechable del
Qti = Qtd = 338ca + 1025Ha - 108.5(oa -strol ) - 25rtla =
= 338(58.7) + 1O2s(4.2) - 108.s(9.7-0.3) 25(L2.O) =
Q'i = 22825 KJ /Re
El calor aprovechado en el equipo de la caldera por medio
de La fórmula (4 -L2 ) es:
Qti
140
Ql = (L.8/o.24)l{s330-s89)+(3/100) (1087.5-s89)l =
Q1 = 2O67 0 KJ/Kg, yd que no se toma vapor saturado.
El rendimiento de1 equipo de caldera (bruto) se determina
como:
or-E thn.r-h".", -ry (h^."-ha.") I *¡n.."(h!,.6-&a.a)
qli" = 4tooo;
\2,." = (zo67o/2zsz5)1oo = go.6%.
El calor utilizado para las necesidades propias es:
en.p = P ,o,.n-ñ...)
1Írr." = q2'."- Qn'er- toaBO:
Qn.p = (0.0L/O.24)(2748.8 - s89) = 90 KJlKg
E1 rendimiento de 1a instalación de calderas (neto) se
determina con Ia ecuación (4.26) l
14L
nÍ." = 90.6 90/(22825(0-24)'t = 89%
4.L4. CONTROL DE LA EFICIENCIA DE LAS CALDERAS
El grado de aptitud de una caldera, de transferir cierta
proporción del calor que recibe del hogar al agua o vapor,
es la "eficiencia de la caldera". En esta consideración se
toma en cuenta invariablemente eI rendimiento del hogar y
en algunas ocasiones también los rendimientos de equipos
recuperadores de calor (precalentador de
sobrecalentador, etc. ) .
al_re,
En las mediciones de eficiencia, no es común la separación
de eficiencia del quemador, del hogar y de 1a caldera. La,
eficiencia de una caldera es considerada como un total
obtenido de la combustión de todos sus elementos
componentes.
La eficiencia puede expresarse en porcentaje o por medio
del término "evaporación real" o "evaporación equivalenterr -
El término eficiencia se explica en las formas siguientes:
Pata combustibles sólidos, €s la relación de calor
absorbido por eI agua alimentada, con relación al calor
1.
142
1a
2.
producido por cada libra de
parrilla.combustible quemado en
Para combustible líquidos o gaseosos, es la relaciónentre el calor que absorbe el agúa alimentada y elcalor producido por cada ga1ón o pie cúbico de
combustible.
La eficiencia de una caldera para combustible sórido es lamisma, y& sea que se trabaje a base de combustible seco o
como se quema usuarmente. con frecuencia se toma en cuenta
el poder calorífico inferior del combustible, debido a que
el caror latente de la humedad producida por ra combustión
del hidrógeno del combustible, no es aprovechable para lageneración de vapor en La caldera.
5. TIPOS DE CALDERAS
5.1. CALDERA
Una caldera eS un recipiente cerrado en el cual se calienta
agua, s€ genera vapor o se sobrecalienta (o cualquier
combinación de las dos cosas) bajo presión o vacío mediante
La aplicación del calor liberado en la combustión del
combustible o también de gases calientes provenientes de un
proceso externo o de elementos eléctricos.
Las calderas se subdividen generalmente en cuatro tipos
clásicos: residencial, comercial, industrial y pata
generación de energía eléctrica.
Las calderas residenciales producen vapor a baja presíón
o agua caliente, sobretodo para ser aplicada en la
calefaccj-ón en residencias privadas.
Las calderas comerciales producen vapor o agua calienteprincipalmente para aplicaciones de calefacción en uso
comereial, con uso incidental en operacíones de proceso.
144
Las calderas industriales producen vapor o agua caliente
princípalmente para su aplicación en procesos con uso
incidental en calefacción.
Las calderas para la generación de energía eléctrica
producen vapor principalmente para la producción de
electricidad.
5.2. CO}ÍPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR
La unidad generadora se compone de un hogar (o eámara de
fuego) en el que se quemará el combustible, así como la
caldera propiamente dicha. En las unídades tipo paquete,
tanto en las grandes centrales de fuerza, están
comprendidos también los quema.dores de eombustible, a1
igual que los controles y accesorios similares.
Con La aparición de paredes enfriadas por aglJa para el
fogón, supercalentadores, se creó el término generador de
vapor, para dar al equipo una denominación más apropiada.
Cuando el hogar (o cámara de fuego) es autocontenido, la
palabra) "caldera'r se sobrentiende que describe a la
unidad generadora de vapor en su conjunto.
En eI hogar o cámara de fuego los productos de eombustión
se consumen y el calor se libera y transfiere al agua'
produciendo por 1o tanto vapor o agua ealiente. Este
145
espacio debe diseñarse para las tres 'rTrt de la combustión:
tiempo, turbulencia y temperatura. Para tener combustión
completa es necesario que el conbustible tenga el tiempo
suficiente para ser consumido por completo; debe haber
suficiente turbulencia para un mezclado completo de1
combustible y del aire para quemado eficiente; debe existiruna temperatura 1o suficientemente al-ta para permitir la
ignición de los productos.
La capacidad de producción de calor (cantidad de calor o
agua caliente por hora), depende de los siguientes
factores:
1. Grado de combustión del combustible en el hogar.
2. Extensión de la superficie de calefacción.
Proporción en la que se distribuye la superficie, en
áreas de calefacción por convección.
circulación del vapor o del agua y la de los gases
combustión.
Para mantener 1a combustión, es necesario suministrar
cierta cantidad de aire y remover los productos resultantes
de dicha combustión, mediante el tiro. Si la acción del
tiro natural (efecto de la chimenea) es insuficiente, s€
3.
4. La
de
L46
utiliza un ventilador (para tiro forzado, tiro inducido o
la combinación de ambos ) .
En las grandes unidades generadoras de vapor de las
centrales termoeléctricas, €I aire para Ia combustión es
precalentado (en un calentador de aire) y el agua de
alimentación es igualmente calentada en un economizador,
por medio del calor residual de los gases de la combustión.
Estos dispositivos mejoran Ia eficiencia general de la
unidad. Si se desea sobrecalentar el vapor por encima de
la temperatura de saturación (que generalmente solo
requiere para el impulso de turbinas), se agrega a Ia
caldera ún supercalentador. Frecuentemente se vuelve a
calentar el vapor (después del primer paso de la turbina),
mediante un recalentador.
Dispositivos de tubos antiespumantes y otros mecanismos (de
montaje interno) para que este llegue completamente seco a
la tobera.
La salida de la caldera puede estar dotada de tapones
roscados, o bien de grifos con bridas. Otros orificios se
destinan a la colocación de instrtlmentos, conexiones de
agua de alimentación, drenes, purgas, orificios de regis.tro
y para otros propósitos por e1 estilo. Un montaje adecuado
debe comprender una base, ménsulas de apoyo y tirantes
colgantes o amarres.
I47
EI agua es alimentada a la caldera ya sea por gravedad en
el retorno (en instalaciones pequeñas) o por una bomba de
alimentación. En las calderas de vapor el agua absorbe
calor hasta su punto de ebullición. Ya convertida el agua
en vapor se acumula en la parte más alta de la caldera, por
Ia diferencia de densidad entre el vapor y el a'gua. En las
calderas de agua caliente (calentadores), el agua se saca
cuando ha alcanzado la temperatura deseada. La caldera se
alimenta ¡ yd sea en forma continua o intermitente, de talmanera que el nivel se conserve relativamente co,nstante.
El agva se mueve dentro de Ia caldera estableciendo una
circulación natural, elevándose en cuanto entra en contacto
eon la superficie interna caliente. Algunas calderas están
dotadas de dispositivos de circulación forzada.
Si se agre5a una cantidad regular de agua dura a un sistema
de vapor, €s por 1o general necesario someter al agua de
alimentación a un tratamiento químico, para eliminar las
impurezas, que regularmente se componen de agregados o
concentraciones de sales solubles. Estas impurezas son
expulsadas a intervalos o de manera continua, por medio de
los dispositivos de purga. Las instalaciones grandes
requieren la instalación de desaireadores, para eliminar eloxígeno del aglra de alimentación.
Las presiones de operación arriba de 225 xg/cmz (3.2061
148ñ
Lb/pul-') están consideradas como presiones supercríticas;
en estas temperaturas el vapor no se puede separar del
agua, porque ambos tienen la misma densidad.
Calderas convertibles son aquellas apropiadas para trabajar
con quemadores automáticos de petróleo, gas o alimentador
mecánico de otros combustibles y que fácilmente pueden
cambiar de una clase de combustible a la otra, Vá sea
empleando el quemador existente, o bien con otro quemador.
En caso de que el costo de determinado combustible resulte
muy elevado, o bien que haya escasez del mismo, puede ser
muy deseable y ventajoso el cambio de un combustible a
otro.
Una caldera diseñada originalmente de fábrica para un
combustible determinado, es normalmente más compacta y
tiene una eficiencia de operación mayor que una caldera
convertible. Esto se debe a que el productor de calor
(quemador) y el transmutador de calor (caldera) ' están
diseñados para operar junto con aceesorios complementarios.
Seguramente que los quemadores y las calderas de unidades
convertibles están bien adaptados entre si en Ia mayoría de
los casos; sin embargo, lós equipos tipo paquete con
accesorios autocontenidos, requieren menor trabajo de
montaje y menos obr.a efl la sección correspondiente a los
quemadores, en el momento de su instalación
a.
L49
Si eI quemador está combinado con la caldera formando una
unidad de tipo paquete, al constructor se le permite una
relativa libertad de diseño. La selección del lugar
destinado al quemador no es influenciada solamente por eltipo de eombustible utilizado, sino por las necesidades de
dotar a la unidad de 1as siguientes características:
Alta eficiencia de operación y seguridad de servicio.
b. Adaptabilidad para trabajos concretos
c. Accesibilidad para ajustes, limpieza y servicio.
Como regla general, sin embargo, el diseño tendrá que
sujetarse a la obtención de una unidad compacta.
5.3. ACCESORIOS PARA CALDERAS
Los accesorios pata calderas son todos aquellos aparatos,
instrumentos, conexiones y aditamentos íntimamente ligados
con las mismas o necesarios pata su operación, control o
mantenimiento. Dentro de los cuatro tipos genéricos de
calderas nombrados anteriormenter'existen tipos específicos
de calderas que se clasifican de acuerdo con su uso,
presión, materiales de que están construidas, contenido de
tubos, forma y posición de los tubos, sistemas de quemado,
sistemas de circulaeión. etc.
Universidad Autónoma de 0ciidcnteSECCION BIELIOTTCA
150
5.4. USO
Partiendo de la simple caldera se casco cilíndrico se han
desarrollado muchos y variados tipos de unidades
generadoras de vapor. Algunas se han diseñado para
proporcionar fuerza en general o calefacción, otras en
cambio se destinan para funciones mas'especializadas. Un
ejemplo puede ser la caldera de recuperación de calor
(Véase Figuras 30 y 31), que recupera Ia energía que por
1o general no se utíLiza y la convierte en calor
aprovechable.
pd:¡¡r.t
FIGURA 30. Caldera para Calor de Desperdicio.
151
¡
Bomba¡ dc circulaclón
FIGURA 31. Caldera para Calor de Desperdicio.
L52
En los gases de desperdicio obtenibles para generación de
vaporr S€ encuentran grandes cantidades de po1vo, pero las
calderas se pueden mantener en condiciones correctas de
operación, utilizando colectores de po1vo, bolsas y tolvas
y en algunos casos transportadores. Los gases cargados de
polvo tienen que mantenerse a baja ve.locidad para reducir
al mínimo 1a acción abrasiva sobre los tubos.
Si los gases contienen partículas sólidas o ígneas
(pegajosas o adhesivas), tienen que ser enfriados por
radiaeión en fogones de paredes de agva, antes de pasar a
la zon'a de convección.
5.5. PRESION
Las calderas estacionarias para mantener un control de
seguridad sobre las earacterísticas de eonstruceión de toda
caldera estacionaria susceptible de aseguramiento (por
obligación), dicha construcción debe someterse a las normas
prescritas por el "código de calderas y tanques de presión"
de la Asociación Americana de Ingenieros Mecánicos,
conocido como código de calderas de ASME. Este código
diferencia las calderas por las siguientes características:
Calderas de
corresponden
Calefacción
todas las
de Baja Presión, gu€
calderas de vapor, .in" no
1.
exceden de 1.05 rglcmZ (ts 1b/pu12), todas las calderas
para agua
exceden de
temperaturas
caliente que,11.25 Kg/em'
153
operan a presiones que noñ
( 160 lb/pul") y cuyas
los 121'C (250"F).
2.
no sobrepasan
Calderas para Generación de Fuerza, so consideran
dentro de esta sección todas aquellas calderas cuyas
condiciones de operación sobrepasan los 1ímites
señalados en el párrafo anterior.
5.6. I{ATERIALES
La selección de materiales para la construcción de
calderas, está controlada por 1o dispuesto en
especificaciones de materiales del código de calderas ASME.
Las calderas para generación de fuetza se construyen
usualmente con aceros especiales. Las calderas de
miniatura se pueden fabricar en otros metales como cobre,
acero inoxidable y similares. Las calderas de calefacción
de presión baja, S€ fabrican por 1o general de hierrocolado o de acero, aunque algunas calderas para serviciodoméstico, operadas por .medio de gas se manufacturan en
tubos de cobre.
5.7. CONTENIDO DE LOS TUBOS
Aparte del tipo ordinario de caldera de cuerpo de acero,
154
hay dos
caldera
tubos de
clases generalizadas de calderas
de tubos de humos o pirotubular y
agua o acuotubuiar.
1a
de
de
La
acero;
caldera
5.7.1-. Calderas Pirotubulares. En las
pirotubulares (Véase Fígura 32), la flama y los
de la combustión pasan a través de tubos.
calentada u otro medio rodea e1 hogar interno y
de los tubos.
calderas
productos
El aglra
los haces
FIGURA 32. Caldera de Tubos de Humo o Pirotubtrlar.
Las calderas de tubos de humo se usan princípalmente para
sistemas de calefacción, para 1a producción de vapor
requerido en procesos industriales o como calderas
portáti1es.
155
Se usan generalmente en donde la demanda de vapor es
relativamente reducida ( comparada con Ia demanda de lasgrandes centrales termoeléctricas).
La caldera pirotubular tiene limitaciones en cuanto a su
tamaño y en la adaptabilidad de su diseño. Sin embargo,
tiene, la ventaja de su gran volumen de almacenamiento de
a9va, además de su peculiaridad de compensar los efectos de
las grandes y repentinas fluctuaciones en la demanda de
vapor. Debido a su gran volumen de agua, €l tiempo que se
necesita para aLcanzar su presión de trabajo, partiendo de
un arranque en fríor €s considerablemente mayor que elrequerido por una caldera acuotubular.
El costo de una caldera de tubos de humo instalada es
relativamente bajo, ya que su fabricación es relativamente
sencilla y se utilizan para quemar combustibles gaseosos,
1íquidos y sólidos.
Junto con Ia caldera pirotubular se utiLízan varios tiposde hogares. Algunos son largos tubos cilíndricos, mientras
que otros son disposiciones de caja de humo (Véase Figura
33 ) que permiten el quemado de combustibles sólidos.
En la mayor parte de los casos, este tipo de calderas
incluyen un casco que contiene el agua y el espacio del
vapor. Dentro del casco están las placas que soportan los
156
grupos de
recipiente
el espacio
ca1or.
tubos y los tubos que son porciones del
a presión. El hogar o eaja de humo proporciona
para los procesos de combustión de la fuente de
FIGURA 33. Caldera de Caja de Humo.
Las unidades de tubos de humo se suministran casi siempre
en aplicaciones hasta aproximadamente 30000 lbs (13500 Ke)
de vapor por hora. Se suministran para operar a baja
presión de.15 psig (L04 Xtt/m2¡ y menos; como calderas de
potencia hasta aproximadamente 300 psig (2L00 KNr/m2) de
presión de vapor.
Muchos tipos de calderas de tubos de humo Se suministran
a Ia industria, uno de ellos es |a caldera horizontal
L57
tubular de retorno (Véase Figura 34). En esta unidad los
productos de la combustión viajan a través del casco y
retroceden a través de los tubos dentro .del recipiente a
presió-n. Estas unidades suelen estar asentadas en soportes
de ladrillo.
FIGURA 34. Caldera Tubular de Retorno.
Otro tipo de unidad de tubos de humo es la caldera tipovertical (Véase Figura 35) en la cual el combustible o lafuente de calor está en la parte inferior y los productos
de la combustión suben a través de los tubos y se eliminanpor la parte superior de la unidad.
La caldera vertical de tubos de humo se fabrica para dos
clases de uso:
158
Caldera de casco Caldera tipo Manning, Caldera con tapa superiorrecto con la placa del con cámara de eónica, con cáamara deespejo superior combustión ampliada combustión ampliadasumergida
FIGURA 35. Calderas Verticales de Tubos de Humo.
1. Para Generación de Fuerza (Caldera de fuerza)
2. Para Servicios Residenciales
Caliente ) .
( Caldera agua
5.7.2. Calderas Acuotubulares. En este tipo de calderas,
los productos de combustión rodean usualmente a los tubos
y el agua está en el interior de los tubos. Son calderas
que constan de un gran número de tubos o fluses de agua'
muy próximos entre sí, conectados a uno o más cuerpo's o
.
0c6
ogc
=tro
troEoüooE
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t€o6Ea
EIoE6Io
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ooctoEú
=IoE€
1s9
colectores que funcionan como cámaras de agua y separadores
de vapor, facilitando una rápida circulación del agua y
vaporízación.
Las capacidades de estas calderas se acercan a un millón de
libras por hora de vapor y aún más, y presiones de
2500 psig a 4000 psig a la salida del sobrecalentador, con
temperaturas de vapor que varían desde la saturación hasta
551oC ( 1025"F) .
5.7.2.L. Partes de la Caldera. Generalmente las calderas
acuotubulares constan de las siguientes partes:
El Hogar: que
combustión.
ES el lugar donde se efectúa Ia1,
2.
3-
4.
Uno o Varios Cuerpos o
eomo cámaras de agua y
Colectores: los cuales funcionan
separadores de vapor.
Tubos de Agua: donde
la evaporización.
Recalentador:
convierte en
se transmite el calor al agua para
tubería donde el vapor saturado
vapor recalentado.
se
Economizador: es un haz de tubos por los que pasa agua
de alimentación calentándose parcialmente y en los que
5.
7.
160
se aprovecha el calor residual de los humos.
6. Calentador de Aire: es un sistema de tubos o conductos
calentados por los humos o por gas, a través de los
cuales se hace pasar el aire antes de ser introducido
en el hogar, para calentarlo.
Chimenea y Tiro: tienen como función evacuar los gases
de combustión e introducir el aire dentro del hogar.
Cada una de 1as partes se tratarán más adelante.
5.7.2.2. Clasificación. Existen varias clasificaciones de
calderas acuotubulares, así: según el número de cuerpos
ci1índricos, según la disposición de los cuerpos
cilíndricos, según el tipo de circulación del agua, etc.,
pero la clasificación general más razonable es la
siguíente:
1. Calderas acuotubulares de tubos poco inelinados.
2. Calderas aeuotubulares de tubos muy ínclinados.
Calderas acuotubulares de radiación, es decir
elementos especiales de refrigeración de1 hogar.
3.
Cada una de estas clases princípales puede subdividirse
1.
161
según las formas constructivas así:
Calderas de cuerpos longitudinales o transversales.
2. Calderas de tubos rectos o curvados.
3. Calderas de 1, 2 y 3 o más cuerpos cilíndricos (donos).
4. Calderas de circulación de agua natural o forzada.
Cada uno de estos tipos puede ir equipado o no con
recalentador, economizador y calentador de aire; además
pueden tener equípo para quemar carbón, bagazo,
combustibles 1íquidos o gaseosos, etc.
La Figura 36, muestra dos tipos de carderas acuotubulares
de tubos curvados, de dos domos, parrilla viajera y de
cuatro domos respectivamente.
5-7 -2-2.L. carderas de Tubos Poco rncrinados. Esta clase
de calderas emplean generalmente tubos rectos que ascienden
bajo un ángulo de unos 15" y se fijan desde el exterior a
las paredes de las cámaras parciales o secciones. De estamanera eI cambío de tubos dañados puede hacerse fácilmentey con rapidez, sin penetrar al interior del cuerpo
cilíndrico de la caldera.
162
FIGURA 36. Algunos Tipos de Calderas Acuotubulares.
Las calderas de tubos poco inclinados generalmente tienen
un solo cuerpo cilíndrico, pero pueden constar de dos o
tres. La Figura 37, muestra. un ejempló de un'a ealdera de
un solo cuerpo (domo) transversal, de tubos poco
inclinados, con recalentador y parrilla móvil, y Ia Figura
38, presenta otro tipo de caldera ' con tres domos
transversales y tubos de agua curvados.
5.7.2.2-2. Galderas de Tubos ![uy Inclinados- Tienen de
dos a cinco cuerpos cilíndricos o domos dispuestos
transversalmente y unidos entre sí por los tubos curvados
hasta de 10 metros de longitud, los cuales se unen
directamente a los cuerpos de la caldera'
Caldera Acuotubularcon Recalentador y
163
de Tubos Poco InclinadosParrilla Móvil.
FIGURA 37.
Caldera Acuotubular deAgua Curvados.
vo.porttcglenlodo
Enfrodo
FIGÜRA 38. Tres Domos y Tubos de
En la Figura 39, se da un ejemplo de caldera con tubos
muy inclinados de tres domos' con recalentador,
economizador, hogar para quemar bagazo y el equipo auxiliar
para quemar petróleo
L64
Como la unión de los tubos se
cuerpos cilíndricos, el cambio
hace penetrando en el interior
más difíci1 la operación.
hace directamente con los
y limpieza de los tubos se
de los cuerpos, 1o que hace
Tubos MuyDomos r cofry Equipo para
FIGURA 39.
5.7.2.2.3. Calderas de Radiación. Se entiende por
calderas de radiación a las calderas acuotubulares en las
cuales la transición del calor se efectúa por radiación y
solo una pequeña parte por contacto directo con el fuego y
los humos. r
Caldera Acuotubular deInclinados, de TresRecalentador, EconomizadorQuemar Petróleo y Bagazo.
165
Todas las paredes y pisos del hogar van generalmente
recubiertas por tuberías de agua y que se denominan paredes
de agua, cortinas de agua y parrillas de agua. Por estas
tuberías circula el agua de alimentación después de haber
sido calentada inicialmente en el economizador (si 1o hay).
Las calderas de radiación solo llevan uno o dos cuerpos
cilíndricos. En el easo de empleo de un solo cuerpo
ci1índrico, 1levan numerosos colectores pequeños. Se
construyen generalmente de gran capacidad de producción de
vapor y para altas presiones.
La Figura 40, muestra un tipo de caldera de radiación de
url solo domo y varias cámaras parciales, con recalentador,
economizador, calentador de aire y hogar para quemar carbón
con parritla nóvil.
5.7.2.3. El Hogar. E1 hogar es eI sitio donde se coloca
e1 combus_tible y se desarrolla Ia combustión. Su misión es
transformar la energía química (poder calorífico) del
combustible en calor por medio de la combinación con eloxígeno del aire.
En general el hogar consta de tres partes principales a
saber:
1. Parrilla.
166
2. Cámara de combustión.
3. Cenicero.
RecolcnfodorI
Cdmorociol-
4limentcdores
Forillc mcivil
-f-'f:-.J \'
FIGURA 40. Caldera de Radi.ación.
Existen tres clases de hogares: para combustibLes sólidos,
líquidos y gaseosos.
En los hogares de combustibles sólidos existen los tres
elementos anteriores. En los de eombustible 1íquido y
gaseosos desaparecen la parrilla y el cenicero y queda
solamente la eámara de llamas.
E1
de
L67
En el hogar se encuentran las corrientes de aire y de
combustibles reaccionando para efectuar la combustión. Los
productos gaseosos de la combustión y eI exceso de airesigue por una serie de conductos de humo hacia la chimenea,
mientras otra parte del combustible se convierte en cenizas
y escorias cayendo al cenicero.
tamaño y estructura de un hogar depende principalmente
los siguientes factores:
1. Tamaño de La caldera.
2. Naturaleza del combustible (sólido,líquido, gaseoso).
3. Poder calorífico de1 combustible.
4. En el caso de combustible sóIidos, del porcentaje de
humedad y cenizas; del tipo de combustible (carbón,
bagazo, etc. ), del tamaño del grano y de la composición
química eI combustible.
La Figura 4L, muestra e1 cambio de la temperatura de los
gases con respecto a Ia altura del hogar de La caldera.
5.7.2.4. Cuerpo de la Galdera o Domo. Los cuerpos de lacaldera son tanques cilíndricos de paredes gruesas que
tienen dos funciones:
168
FIGURA 4T. Cambio de IaRespecto aCaldera.
Temperatura dela Altura del
los Gases conHogar de la
1. Almacenar eI agua.
2. Actuar como colectores de vapor saturado (cuerpos
superiores ) .
5.7.2.4.1. Separador de Vapor. Dentro del cuerpo del
eolector de vapor existe un aparato llamado "separador de
vaporrt cuya función es Separar el vapor del agua arras,trada
por este para
recalentador.
separador.
ímpedir el paso de partÍculas
La Figura 42, ilustra un tipo
de agua
de domo
169
aL
con
1,
RELACION DE pABTES: t. Domo; 2. Tuberl¡¡ rtc y.por dc cntted¡: 3. Calóu4. Cldón; G. Tapa; 7. ilaila dot dopóstto dc lavadol E. Trcüo rcctbtdor icvapor;9. Cda; tO. Tubrrla dc ¡¡llda de vapor; tl. gumlnlstro do agu¡ doailmontadón:12. vontana; t3. Tuboa balantos;14. Tuborfa de drcni¡c deomcrgencla.
FIGURA 42. Domo con Separador.
5.7.2.5- Sobrecalentadores y Recalentadores.
5-7.2.5.L. sobrecalentador. Está formado por un sistema
de tubos que se interponen al paso de los gases, €1
sobrecalentador es un elemento importante de la unidad
generadora a1 que se le inyecta vapor saturado de lacaldera misma, de modo que er vapor recibe una cantidad
adicional del calor que procede de ros gases de combustión.
I
I
I
I
_ _\,¿- -l-- - - -¡i'
ünive¡sidad A,tdíilF-s rcó riiñ' é irliol? r, 0,,'*'
n
L70
La transferencia de calor produce una ganancia considerable
de energía en el vapor que será liberada en el uso final.
El uso final puede ser una turbina de vapor o cualquier
otro tipo de equipo que requiera liberación considerable de
energía para su operación (Véase Figura 43).
-¡^uoa oR 6^¡
D$O DEI ÑAftMEM@i
uru@r4
FIGURA 43. Caldera con Unidad de Sobrecalentamiento.
L7L
Los sobrecalentadores son del tipo radiante, de radiacióno de radiación-convección. En un sobrecalentador radiantelos tubos están loealizados casi siempre en la sección del
hogar de la cardera. En un sobrecalentador de convección
Ia LocaLización está determinada por la temperatura delvapor requerida. Para temperaturas altas generalmenter €s
más económica su instalación 1o más cerca posible del
fuegor €n donde tomará contacto con gases más calientes.
La Localízación del sobreealentador está también
determinada por las características y el espacio disponiblede la caldera. En las calderas de poca altura, en las que
no hay espacio entre los tubos ni sobre los mismos, se usa
un tipo de sobrecalentador colgado (Véase Figura 44), elcual se extiende verticalmente; de arriba hacia abajo,
entre las hireras de las baterías de tubos de la caldera.
FIGURA 44. Sobrecalentador Colgado.
L72
5.7.2.5.2. Recalentadores- El recalentador
partes de la caldera, donde el vapor saturado
en vapor recalentado sin elevar la presión.
es
se
una de las
transforma
5.7.2.5.2.L. Generalidades. Debido a las numerosas
ventajas que ofrece el vapor recalentado en las máquinas de
vapor, 1o mismo en las de movimiento alternativo como en
las turbinas, la mayoría de las plantas térmicas están
provistas de recalentadores, además el empleo de vapor
recalentado eS necesario muchas veces para procesgs
industriales.
La temperatura de recalentamiento depende de las
condiciones en cada caso particular, para producción de
fuerza mecánica el recalentamiento normal es de unos 100"C
a 150"C sobre la temperatura de saturación (temperatura
del vapor y del agua en el cuerpo de 1a caldera).
5.7 .2.5-2.2. Glasificación-
clasificación:
Se presenta la siguiente
1. Según la forma de transmisión del calor se distinguen:
a. Recalentadores calentados a fuego directo, 9u€
actualmente se construyen muy poco, tienen mal
rendimiento' se desgastan mucho y es difícil su
regulación.
L73
b. Recalentadores de contacto, gu€ transmiten elcalor de humos al vapor por conducción.
c.
Según el sistema de apoyo se distinguen:
a. Recalentadores apoyados.
b. Recalentadores suspendidos.
En las ealderas acuotubulares'de tubos poco inctr-inados, elrecalentador, generalmente apoyado, s€ coloca entre los
tubos de agua y el cuerpo cilíndrico (domo) de ra caldera.En las calderas acuotubulares de tubos muy inclinados o
verticales el recalentador, generalmente suspendido, va
colocado detrás del prime:r l:,az tubular.
5.7 .2.5.2.3. Regulación del Recalentamiento. La
regulación exacta de la temperatura der vapor recalentado
es de Eran importancia para impedir la deterioración de lasmáquinas y turbinas de vapor. Lo ideal es mantener
invariable la temperatura del vapor reealentado para todas
las cargas de la caldera.
Recalentadores de
calor radiante de la1lamas.
radiación, que aprovechan elcapa de combustible y de las
2.
L74
La regulación de los recalentadores puede efectuarse por
varios métodos de 1os cuales los más importantes son:
1. Por medio de placas giratorias o registros que
solamente permiten el paso por eI recalentador de una
parte de los humos calientes.
2. Por inyeeción de agua caliente en el vapor recalentado
de un inyector automático.
3. por refrigeración de superficie, en la cual el exceso
de calor del vapor recalentado se elimina por medio de
un intercambiador de calor.
5.7.2.5.2-4. Equipo de1 Recalentador. Para lograr un
correcto funcionamiento, €1 recalentador debe estar
provisto de los siguientes accesorios:
1. De un juego de vá1vuLas de cierre ' pata que el
recalentador pueda desconectarse de la caldera siempre
que convenga.
2. De una válvula se seguridad.
3. De válvulas de desagüe las cuales sirven también para
llenar el recalentador de a8ua antes de encender el
hogar.
175
Además son convenientes los siguientes aparatos:
1a
al
en
1. Una ramificación en
de cierre y un tubo
del recalentador
parada.
salida de vapor con una válvula
aire libre, para refrigeraciónel período de encendido o de
La temperatura del agua
factores que más influyen en
la caldera y su equipo.
5.7 .2.6. Economizadores.
alimentación es uno de los
correcto funcionamiento de
de
e1
Siendo la funeión del economizador, calentar el agua de
alimentación, €s de gran importancia su estudio (Véase
Figura 45 ) .
El economizador es esencialmente un intercambiador de
calor, formado por un haz de tubos a través de los cuales
pasa agua de alimentación justamente antes de inyectarla a
la caldera.
Los gases de combustión, al abandonar las superfj_cies de
convección de Ia caldera, pasan por 1os tubos de1
economizador y de esta manera calientan el agua de
alimentación.
Los gases de combustión a1 sarir del economizador se
enfrían consideráblemente aLeanzando una temperatura final
L76
de unos 200'C a
y de las demás
L20"C según
condiciones
temperatura
trabajo de
inicial del agua
la caldera.
1a
de
AGUA OE
ALttEl{TACtONDE TA CALDERADE VAPOF
AGUA DEALITENTACIOl{OE I.A CALDEFADEL DESAIFEADON
FIGURA 45. Economizador.
En las calderas modernas de radiación el economizador está
colocado en la cámara del hogar donde forma parte de los
elementos de refrigeración de1 hogar (paredes de agua)
recibiendo calor radiante de las 1lamas. En estos casos eI
calor residual de 1os humos se aprovecha en aparatos
llamados calentadores de aire antes de llegar a Ia cámara
1AAS DE CHITENAEA FRIO
GAS. DE CI{ITEI{EA CALIENTE
177
de combustión.
5 .7 .2.6.L. Clasificación.
distinguen:
Según su LocaLj-zación
1. Economizadores integrales, se caracterizan por baterías
de tubos vertícales localizados dentro del cuerpo de lacaldera.
2. Economizadores individuales, separados de la caldera
principal y dispuestos detrás de ella según el espacio
disponible y Ia disposición de los conductos de humo.
SU
3. Economizadores centrales,
el calor residual de los
grupo de calderas.
cuya misión es de aprovechar
humos procedentes de todo un
Los economizadores se pueden clasificar de acuerdo a laconstrucción y forma de los tubos, los cuales pueden ser
lisos o de aletas. En la Figura 46, se muestran dos
tipos de eeonomizadores: economízador integral de flujotransversal y economizador de flujo ascendente para una
caldera radíante.
Los 1ímites de presión y temperatura aplicados en los
economizadores varían ampliamente, dependiendo tanto de las
características constructivas del economizador como de las
178
condiciones
acumulación
de hol1ín.
operación de la caldera. Para impedir la
hollín generalmente se utilizan sopladores
CABEZAL DE
SALIDA OEL
EC0N0l't lZAD0i
. IIIIEA DEL
¡ECIFCULADON
. CABEIAL OE
EilTRAOA ^LEC0[0ül¡A00¡
FIGURA 46. Economizadores : 'a. Integrial de f luj oTransversal. b. Flujo Ascendente para unaCaldera de Calor Radiante.
5.7.2-6.2. 'Equipo del Economizador. Los economizadores
están equipados generalmente con los siguientes accesorios:
1. Termómetro a la entrada del agua fría-
de
de
2. Termómetro a la salida del agua caliente.
4.
179
3. Manómetro.
Sopladores de hollín.
5. Válvula de purga.
5.7.2.7. Galentador de Aire. EI calentador de aire es un
aparato de intercambio de calor, eü€ consta de un sistema
de tubos o conductos a través del cual se hace pasar elaire que es calentado por medios cuya temperatura es mayor,
tales como los productos que proceden de 1a combustión o
por medio de vapor para ser introducido en el hogar de la
caldera.
El objeto de los calentadores de aire es aprovechar elcalor residual de los gases de escape hasta un 1ímite
económico en los casos en que no existe economizador o
cuando la aplicación del economizador sólor no es
suficiente.
La Figura 47, muestra un calentador de aire recuperativo
o de tubos donde: ( 1 ) tuberías de acero de 40x1.5 mm; (2 y
6 ) tableros superiores e inferiores con espesores de 40x1.5
mm; (3) compensador de expansiones térmicas; (4) cámara de
conducción de aire; (5) tablero intermedio de tuberíás; (7
y 8) estructuras de soporte.
Univ¿rsidad Aulónoma de Cccidents
SECCIoN BlBLl0iE'.'1
180
-Á'n 'tt
fopnuuüto.rilgx
U\olnuun ¿w,,
FIGURA 47 . Calentador de Aire Recuperativo o de Tubos.
5.7-2.7.L. Utilidad del Calentamiento del Aire- Con el
calentamiento previo del aire de combustión no solamente se
hace posible el aprovechamiento del calor residual de los
gases de escape sino también, S€ mejora considerablemente
la combustión.
Por efecto de1 calentamiento del aire se queman los
combustibles de un modo más completo y aumenta Ia caPacidad
de la parrilla y de la cámara de1 hogar y por esto se
disminuyen sus dimensiones.
6
181
5.7 -2.7.2. Temperaturas Límites del Calentamiento del
Aire. Para los hogares de parrilla puede calentars.e hasta
250'C como temperatura máxima para hogares de carbón
pulverizado; de aceites y de gases se puede calentar elaire hasta 400"c.
Para asegurar buena transmisión del calor la superficie del
aparaxa debe mantenerse limpia, para 1o cual se emplean
sopladores de hoI1ín que actúan como chorros de vapor
recalentado.
5 -7 .2.7 .3. Clasificación. Se distinguen dos clases:
calentadores de Aire Recuperativos3 en ros cuales elcalor procedente de un fluido en movimiento (gases de
escape, vapor, etc). pasa a través de las superficiesde intercambio de calor (separación pór medio de
metal), hacia el aire más frío (también en movimiento).
Calentadores de Aire Regenerativos: en los cuales Iatransmisión de calor se efectúa indirectamente.
calentando por medio de los gases una masa de hierroque después, dL intervenir Ia circulación, cede alaire el calor almacenado (Véase Figura 48).
La Figura 48, muestra un calentador de aireregenerativo donde: (a) vista general del aparato; (b)
1.
2.
L82
láminasi (L,2, y 3) apoyos inferiores y superiores; (4)
sección del rotor o de1 eje; (5) se1los o laberintos
periféricos; (6) transmisiones del mando; (7) catcaza
exterior.
FIGURA 48. Calentador de Aire Regenerativo-
5.7.2.7 .4. Colocación. casi siempre se colocan después
del economizador, si el economizador no existe, se colocan
inmediatamente después de1 recalentador.
El aire puede ser aspirado a Lravés del calentador por un
ventilador que al mismo tiempo impulsa el aire ya caliente
en el hogar. El ventilador también puede aspirar aire frío
e impulsarlo a través del calentador y del hogar.
La disposición de los
generalmente vertical .
ho11ín y las cenizas
paredes de los tubos.
183
tubos del calentador de aire es
Por este sistema se impide que el
volantes se depositen sobre 1as
SISTEMA DE QUEMADO DE COMBUSTIBLE
6.1. QUEITÍA EN PARRILLA
Un combustible sólido cargado' sobre la parrilla de
distribución en forma de una capa de espesor determinado se
enciende y se sopla ( la mayoría de las veces de abajo
arriba) con aire. A1 subir, los gases pierden el oxígeno
como resultado de Ia reacción de oxidación, y se enriquecen
de óxidos de carbono a consecuencia de la combustión del
carbón, de la reducción por el carbón del vapor de agua y
el bióxido earbónico.
6.1.1. Zonas de Oxidación y Reducción de Combustión.
6.1.1.1. Zona de Oxidación. Es Ia zorla en que
prácticamente desaparece por completo eI oxígeno; su alturaconstituye de dos a tres diámetros de los pedazos de
combustible.
6.1.L.2. Zona de Reducción. En esta zona se desarrollan
sólo las reaeciones de HIO y COI por el carbono. Cono
6.
185
resultado de la concentración de COI en los Bases a medida
de su elevación disminuye y la de co y H2 aumenta. Las
reacciones de reduceión son fuertemente endotérmicas.
Entregando el calor para su realización el gas que sube por
la capa, S€ enfría hasta que su temperatura se hace tan
baja que 1as reacciones prácticamente se terminan.
En los hogares donde se realiza quema en parrilla' se trata
de mantener Ia altura de la capa igual a la de la zona de
oxígeno; por 1o general es de cuatro a seís veces menor que
la altura total de Ia capa de combustible.
La Fígura 49, ilustra el cambio en Ia composición del gas
respecto a la altura'de la capa de combustible-
¡q
U'
(tJt¡¡ozIIooo.Eoo
ALTURA DE LA GAPA, mm
Cambio en la Composición del Gas RespectoAltura de la Capa de Combustíble.
FIGURA 49. ala
o
o0
186
lanzadorLa Figura 50, muestra
neumático y mecánico y
de h.ogar con
en cadena.
un esquema
la parrilla
{.
oo t{
o
FIGURA 50.
Para efectuar 1a postcombustión
combustión incompleta (Hl, CO) que
como pata hacer 1o mismo con elesta, al volumen del hogar por
suministra aíre adicional.
6.L.2. Ventajas y Desventajas de
quema de combustible en parrillaventaj as :
oodo oo-
de los productos de
salen de la capa, así
polvo arrastrado desde
arriba de la capa se
Ia Quema en Parrilla. La
presenta las siguientes
- o? ooB oooooov aE^-r#¡r =é-iru.-ooo
RELACTON DE pARTES: t. Supcr||ds dc ¡a p¡rrllla: .2. Rucrl¡e; A. Capa dc combusilblc: 4.sumrnrstlo de ¡rro had¡ or ranz¡dol: 5. RotoT drr rrnzadol: 6, armcntadol do b¡nde.ttlculada;7. Tolye rte allmont¡dó¡r;8. Volulnen dcl hogar;9. Tubos rto pent¡llr;10.Insuflaclón dlrecta y rogtrso dcl ¡rr¡3tlr; ii..Rcvceilml"nto O"l hogar;12. Comp¡ctaclóntrascra; 13. vcntanae para artmcntal 0r ahc pol rrobalo do ra capa.
Esquema de Hogar con Lanzador Neumático yMecánico y La Parrilla en Cadena.
L87
Es relatiüamente barato y de fácil operación.
Brinda seguridad en cuanto a explosión de gases de
combustión.
Ausencia de dispositivos para moler el carbón.
Estabilidad en el trabajo {sin extinciones) en una
amplia gama de cargas.
Las desventajas que se presentan son:
Só1o puede quemar combustible sólido.
Altas pérdidas por quemado meeáníco q4.
Su utilízación se limita a potencias relativa,mente
pequeñas, ya que la velocidad de reacción de combustión
es relativamente baja por la misma forma en que Se quema
e1 combustible (mezcla poco homogénea).
6.2. QUEl,lA EN CAI,IARA
En este sistema de quemado se utiliza combustible que ha
sido desmenuzado en unos molinos o desintegradores, el cual
se insufla a través de los quemadores junto con el aire
neeesario pata la combustión.
El aire transportador que se insufla junto con eI polvo se
llama primario. Al quemar en cámaras el combustible sólido
en forma de polvo, las sustancias volátiles aI liberarse en
el proceso de su calentamiento' se queman en la llama como
188
un carburante gaseoso, 10 que contribuye al calentamiento
de las partículas duras hasta la temperatura de inframacióny facilita la estabíLización de la llama.
La cantidad de aire primario ha de ser suficiente para
quemar las sustancias volátiIes. Esta es de1 L5% aL 25% de
toda la cantidad de aire para los carbones con bajo
rendimiento de sustancias volátiles (por ejenplo, lasantracitas), deL 2o% al 55% para los combustibles con altorendimiento (ejemplo, los lignitos). El aire restantenecesario para la combustión (1lanado secundario) se
suministra al hogar para Ia combustión. Una buena
organización del proceso de quema de los combustibles
sólidos (sobre todo los que se queman con dificultad y cuyo
rendimiento de sustancias volátiIes es bajo), la asegura elaprovechamiento de los llamados quemadores en forma de
caracol, (Véase Figura 51. ).
El polvo de carbón junto con el aire primario se suministraen estos a través del tubo centrar y gracias a la presencia
del deflector sale aL hogar en forma de un chorro finoanular. E1 aire secundario se suministra a través del
"caracol", se tuerce fuertemente en este y, saliendo a racámara de combustión forma una llama potente turbulentatorcida que asegura la succión de grandes cantidades de
gases incandecentes desde lo.s núcleos de la llama hacia Iaboca del quemador. Esto acerera el calentamiento de ra
189
mezeLa de combustible y aire primario y su inflamación' eS
decir, crea buena estabilidad de 1lama-
El aire secundario se mezcla bien con el polvo ya inflamado
gracias a su fuerte turbulencia. Las partículas más
grandes sufren la postcombustión durante su vuelo en el
flujo de gases dentro de los límites del volumen del hogar.
oe
En La Figura 52, se muestran varios tipos de quemadores
empleados en calderas para carbón pulverízado y de tipo
ciclón, las siguientes son las partes correspondientes:
(a) quemador de doble caracol; (b) quemador directo de
caracol combinado; (c) quemador de caracol con paletas; (d)
quemador de doble paleta; (1) earacol de la mezcla polvo de
carbón-aire; (2) caracol de aire secundario; (1') entrada
de la mezcLa aire-combustible:' (2') caraeol del aire
secundario; (3) canal para la salida de la ^"r"r^ aire-
FIGURA 51. Quemador Unidireccionalpara Combustible Sólido
I
fa
en Forma de CaracolPulverizado.
ffiry
190
combustible hacia el hogari tttl canal para la salida de lamezcla aire secundario-combustible hacia e1 hogar; (5)
atomizador de fuel oil principal; (5') atomizador de fueloil para arranque; (6) tapón para salida de la mezcla-, (7)
paletas del aire secundario; (8) suministro del airecentral; (9) mando del tapón; (10) agitador del flujo del
aire axial; (11) aislamiento del quemador.
"¿t
-7-+:j$1L8.
N
FIGURA 52. Quemadores Tipo Ciclón para Calderas.
La
de
Para Ia combustión del polvo de
hogar en cbda momento del tiempo
de La mezcLa a la salida
carbón en La llama del
se encuentra una reserva
Figura 53,
un quemador
muestra el esquema
de caracol.
191
ínfima de combustible. Esto hace el proceso de combustión
muy sensible a los cambios en el gasto del conbustible y
aire, y permite, €fl caso de necesidad, prácticamente al
instante cambiar el rendímiento del hogar. A1 mismo tiempo
esto eleva los requisitos respecto a la alimentación segura
del polvo al hogar, puesto que una interrupción, Por ínfima
que sea ffsegundos", conducirá a la extinción de la lIama,
1o que está vineulado con el peligro de explosión al
reanudar el suministro de polvo, por eso en 1os hogares de
cámara se instalan, cotrlo regla varios quemadores.
---+----)
+-<l-
+-
FIGURA 53. a Ia Salida de un
EI coeficiente de exceso de aire en el caso de uÍIa buena
mezcla con combustible, generalmente se considera igual a
L.2 a I.25, la combustión imperfecta mecánica es a4 = 0.5%
a 0.6%, La combustión imperfeeta química es 93 = O% a l"a.
Esquema de la MezclaQuemador de Caraeol.
,i+7
L92
6.2-L. Tipos de Quemadores. Entre otros, s€ encuentran
los siguientes tipos de quemadores.
6.2.1.1. Quemadores para Carburante Gaseoso y Desechos
Gaseosos de la Producción. Se destina para suministrar elgas y el oxidante (de una manerá general, €1 aire) al
hogar, mezcl-ar el flujo antes de que comience la combustión
o en curso del mismo proceso de combustión, y estabiLizar
la llama.
Bajo el término de estabilización se entiende la creación
de las condiciones que garantizan una combustión segura de
la llama sin extinciones,pulsaciones o separación deI
quemador. Excepto muy raros casos esto se logra por medio
de un régimen aerodinámico tal, que los productos
incandecentes que se forman durante La combustión se
agreguen ininterrumpidamente a la mezcla nueva de
carburante y aire, asegurando su encendido.
De acuerdo con el principio de formación de Ia mezcla los
quemadores de gas pueden dividirse en dos grandes grupos:
los inyectores y los mezcladores. Al primer grupo se
refieren, €tr particular los quemadores de cocinas de gas
corrientes (Véase Figura 54).
EI gas,con una presión excesiva de varios kilopascales,
salir de tra tobera al mezclador, construido en forma
a1
de
1.93
eyector, succiona
cantidad necesaria
a este desde
de aire, y S€
el medio que le rodea
mezcla con é1.
1a
oRrFtctos
FIGURA 54. Quemadores de Cocina de Gas Corrientes.
La cantidad de aire arrastrado es aproximadamente
proporcional al gasto del gas que arrastra, por 10 tanto a1
cambiar la potencia térmica deI quemador (aumentando o
reduciendo el gasto de gas con ayuda de una válvula o
grifo), la relación entre el gas y el aire, €s decir el
coeficiente de exceso de aire, permanece más o menos
constante. Para cambLarlo durante eI reglaje del quemador
en Ia línea de suministro de aire se coloca una mariposa o
una arandela de resistencia variable.
L94
Los quemadores inyectores no requieren la instalación de un
ventilador para suministrar el aire, pero necesitan mayor
presión del gas. En hogares grandes, con más frecuencia se
utilizan los quemadores mezcladores de dos conductos, en
los que el gas y el aire se suministran bajo presión y se
mezclan parcialmente o por coinpleto en eI mismo quemador o
al salir de este.
La Figura 55, presenta el esquema de un quemador que se
emplea en grandes calderas de vapor. A partir del eolector
anular del gas ( I ) , con una velocidad superior a 100 m/s se
suministra a través de los orificios radiales e1 gas al
encuentro del flttjo de aire.
MAZUT
Quemador de Gas y NlazúX de Tipo Coaxial conSuministro Central de Gas.
)
)
/
o}g
55.
5
I
AIRE
FIGURA
195
La partes correspondientes a la Figura 55, son: (1)
colector de gas; (2') inyector a rotación con aletas; (3)
inyector de mazút; (4) tronera bicónica; (5) canal para el
encendedor; (6) registro de1 discoi (7 ) caja de aire; (8)
revestimiento del hogar.
Prácticamente todo el aire para la combustión se manda a
través del generador de torbellino con aletas (2) que hac.e
retorc'er el f luj o para crear el remolino en 1a salida del
quemador y mejorar el mezclado del combustible.
Una pequeña cantidad de aire se dirige por un tubo coaxial
con eI conducto de mazút (fuel oil) para enfriar eI
quemador (y eI inyector) (este tubo no se muestra en eI
dibujo) para reducir la carga, y respectivamente, eI gasto
del aire la válvula de compuerta ( 6 ) se desplaza hacia la
derecha a 1o largo de1 eje con el fin de reducir la sección
dejada para el paso del aire a través de1 generador de
torbellino con aletas y conservar de este modo la velocidad
necesaria pata remol-inear intensamente eI aire.
La válvula de compuerta tiene un perfil especial para
organizar una corriente suave. En régimen nominal lavelocidad con que sale la mezcla de gas y aire del quemador
aL hogar es aproximadamente de 30 mrls.
El quemador mostrado en la Figura 55, está diseñado para
Los
de
de
quemar no solo combustible gaseoso,
(mazút).
196
sino también líquido
quemadores de gas y de maz$x de las modernas calderas
vapor tienen rendimientos muy altos, de hasta 3.1 m3/s
gas y 2.8 Ke/s de fuel oil.
Los quemadores de gas y de mazút se colocan en las paredes,
en el techo o en la solera del hogar sin parrilla que
representa una eámara. La mezcla de gas y aire previamente
preparada se quema de manera muy intensar por eso, por
ejemplo, en los hornos de ealentamiento la tensión térmica
en e1 hogar qv durante la combustión de los gases aLcanza
de 0.6 a L.2 prW/*3 y Ia combustión imperfecta quÍmica
eonstituye del L% aI 3%, en este caso ga se acepta de un
modo general igual a 1.05 a 1.3.
Uno de
térmica
principales
volumen del
1os
de1
índices del hogar es la tensión
hogar qu:
.r _ aiB = e¡'BYv vh vh
(6.1)
B:vh:
Gasto de combustible.
Volumen del hogar.
Donde
L97
Los hogares de parrilla en los que se emplea combustible
sólido y las cámaras de eombustión de los motores a
reaceión se caracterizan también por la tensión térmica de
La sección transversal del hogar o de Ia superficie de
combustión de la capa qc:
nr=# n,=+ (6 .2)
Donde Area
Area
F:
S:
de
de
la sección transversal del hogar.
la capa de combustible.
Los incrementos de qv y
aumentan la combustión
reducción del tiempo de
hogar.
Qf, de un modo ordinario también
imperfecta a consecuencia de la
las partículas en el volumen del
6.2.2. Ventajas y Desventajas de la Quema en Cámara.
quema en cámara presenta las siguientes ventajas:
Permite la quema de cualquier combustible.
Se puede emplear
ilimitadas.
para potencias prácticamente
El tiempo de combr¡stión total de las particulas decrece
debido a Ia turbulencia que produce eI aire para La
La
198 - ----
combustión con los gases del hogar, hecho que permite
una quema homogénea e intensat";ft".lerada de las
partícu1as.
Entre las desventajas se tienen:
La quema en cám:ara es un poco más costosa que la quema
en'parri1la, por requerir de equipos auxiliares para Ia
molienda del carbón.
Presenta peligro en cuanto
combustión 1o que implica
quemadores.
explosión de gases de
instalación de varios
a
Ia
6.3. QUEIIA EN LECHO FLUTDTZADO
Consiste en la quema de partículas de una capa de material
de granos pequeños a través de la cual de abajo arriba pasa
un gas con una velocidad superior al límite de estabilidad
de Ia capa densa, pero esta velocidad no es suficiente para
arrastrar las partículas fuera de la capa (Véase
Figura 56).
La circulación intensa de partículas en volumen limitado de
Ia cámara da la impresión de un líquido que hierve
intensamente. Una parte considerable de aire pasa a través
de una capa semejante en forma de burbujas que mezclan
L99
violentamente el material de granos pequeños, 1o que
aumenta aún nás la semej anza con eI líquido hirviente y
explica Ia procedencia del nombre.
w,
a
'aa
o¡l/'\ /1lltl
'r *'t ,'-.lu._]lalral
I
-
1.1ot
a
a
a
.. 176
Ivr#-l-Ta lcl
va
-a
-l( o | .'l-T af
ttAIRE
I
FIGURA 56.
RELACTON DE PARTES: t. Cámara do comDusflóndc lccho fluldlzado: 2. parrllla dlstrlbutdora doalrc; 3. Sepentln roerptor do calor.
Método de Combustión en Lecho Fluidizado.
Se queman partículas relativamente pequeñas habitualmente
de 5 mm a L0 mm. La combustión en una capa seudolicuada
(fluida) es, en un sentido determinado, intermedio entre la
combustión en hogar de parrilla y la combustión en hogar de
eámara.
3
2
W
La velocidad de1 flujo de gas es
donde va disminuyendo con la
comparación con las de parrilla
dos veces su longitud.
200
mayor en la parte de abajo
altura de la capa. En
Ia capa aumenta en hasta
En hogares energéticos el lecho fluido consiste en un 95%
a 99% de partículas inertes de ceniza o de un material
especialmente agregado. La concentración de combustible en
la carga no supera un cierto por ciento (al aumentarla en
los productos de la combustión aumenta considerablemente la
cantidad de Hl y CO), por eso en el lecho fluídizado se
puede quemar materiales con un porcentaje muy alto de
cenizas ( desechos de diferentes empresas industriales,
incluyendo basuras domésticas) que no se queman en hogares
de otros tipos.
6.3.1. Ventajas y Desventajas de la Quema en Lecho
Fluidizado. Entre las ventajas se tienen:
Se puede quemar combustible de muy mala calidad.
Las partículas se queman homogénea e intensamente ( todo
el calor se concentra prácticamente en la capa ósear ya
que casi no se presentan pérdidas ) .
La caldera puede ser más compacta.
'20L
Pgr la alta transferencia
pueden mantener temperaturas
contribuye a la no formación
de calor en su interior se
entre 800"C y 1-000'C, esto
de gases altamente tóxicos.
Las desventajas que presenta la
principalmente son:
quema en lecho fluidizado
escape de las
combustible ) ;
No se usa para grandes potencias.
Presenta problemas para cargas variables.
Con cargas altas se tiene el peligro
partículas (debe disminuirse el aire y
para cargas bajas 1o eontrario.
de
e1
Altos porcentajes de inquemados mecánicos er
Como el combustible es quemado en suspensión produce
mayor arrastre de materia en partículas en el gas
chimenea, contrario a la quema en parrilla.
La Figura 57, muestra un fogón con alimentador mecánico y
parrilla vibratoria, La Figura 58, presenta un fogón
primario, tipo ciclónico para quemar carbón triturado y
otros combustibles, la Figura 59, ilustra La instalación
de un quemador para carbón pulverizado de fuego
descendente.
un
de
202
FIGURA 57. Alimentador Mecánico y Parrilla
FIGURA 58. Fogón Primario, Tipo Ciclónico.
203
i
VENTILADOR DETINO INDUCIDO DEL A¡[¡
PRIMAN¡O
InstalaciónPulverizado
ECONOMIZADON
SECUNDAAIO
PRIMANIO !
ATEMPERADON
sALtD^VAPOR
de Quemador para Carbónde Fuego Descendente.
FIGURA 59.
7. TIPOS DE CALDERAS SEGUN SU SISTEMA DE CIRCULACION
Las calderas según el tipo de sistema de círculaeión se
clasifican de la siguiente manera:
7 .L. CIRCULACION NATURAL
En las calderas donde el sistema de circulación del agua es
natural, €1 agua circula solamente debido a Ia diferencia
de densidades del agua y de Ia mezcla de vapor de agua, o
sea que el movimiento en el círculo de evaporación se hace
natural (Véase Figura 60).
Las calderas con este tipo de circulaeión pueden trabajar
solamente hasta la presión de P = 18.5 MPa, ya que se basan
en el principio de cambio de densidad del agua y Ia mezcla
(con el aumento de presión Ia diferencía de densidad es
cada vez menor).
Figura 6I, muestra un esquema del movimiento del vapor
una caldera con circulación natural.
La
en
205
gUPERFICIE
BAJANTE(8, NoCALENTADA}
Pr.TIEZCLA DE
AGUA Y VAPOB
(P*,. ),(8. GALENTADA) BOIIBA DEALIilEHTACIOH
FIGURA 60. Esquema de Circulación Natural.
FIGURA 61. Esquema del Movimiento del Vapor en unaCaldera con Circulación Natural.
Las partes correspondientes a la Figura 61, son: (1) Domo;
(2) Recalentador de vapor de pared por radiación; (3)
entrada del quemador; (4) Recalentador de vapor de techo;
(5) Recalentador de vapor combinado (radiación-convección) ;
1.
2.
206
(6) Tubería vertical sin calentamiento; (7 y 8) Serpentines
horizontales y verticales del precalentador de vapor; (9)
tubos colgantes; (10) Cámara de vapor recalentado.
7.I.L. Garacterísticas de la Tubería de Circulación. La
tubería de circulación presenta las siguientes
caracterí s ti cas :
Las superficies bajantes no deben recibir calor.
Los tubos ascendentes deben tener Ia mÍnima resistencia
hidráulica y característica ascendente permanentemente
(no se permiten cortes bruscos en las tuberías).
La velocidad del fluido en todas las tuberías debe ser
relativamente baja para evitar pérdidas de presión por
fricción. Por 1o tanto los diámetros tienen que ser
relativamente grandes, t 3 pulgadas.
7 .L.2- Múltip1o de Circulación. El múltip1o de
circulación (K) se determina mediante la siguiente fórmula:
3.
g - fra.a
fln.,
Donde para calderas de alta presión
calderas de baja presión K = l0 a 2O, K
K
(7 .L\
=5a10rpata
5, significa que
207
para obtener 1 Kg de
circular 5 veces por
vapor recalentado, 1 Kg de agua debe
e1 circuito de circulación.
La
de
Figura 62, ilustra un esquema de una caldera con domo
circulación natural.
FIGURA 62. Caldera con Domo de Circulación Natural
En la Figura 62, las partes correspondientes son: {1)
Hogar de La caldera; (2) PantaIlas de radiación; (3)
quemadores; (4) Tubos bajantes; (5) Domot (7) Precalentador
de vapor por radiación y convección; (8) Recalentador de
vapor intermedio; {9) Ecoáomizador; (10) Conducto de gases
por convección; (11) Precalentador de aire.
7.1.3. Bases para el Diseño del Circuito de Circulac.ión
Natural en Calderas. En Las calderas con circulación
208
natural eI empuje surge al calentar los tubos ascendentes
(pantallas de radiación) debido a la formación en ellos de
mezcla vapor agua.
P = H g(p-Pr"z"tu) (7.t)
La fórmula (7.L) está escrita suponiendo que en los tubos
ascendentes hay mezcla vapor-agua por toda la altura. En
realidad el proceso de ebullición desarrollado comienza un
poco arriba a la entrada de la zona de transmisión de
calor, esto debido a que el agua entra a una temperatura un
poco menor a la temperatura de saturación de ta1 manera que
la altura de los tubos ascendentes puede dividirse (Véase
Figura 63 ) .
Ha"o*o*,r ooa
Hr
VAPOR
FIGURA 63. Circuito de Circulación Natural en Calderas.
209
En ra parte Hl * Hrronorizador' en
ascendentes se encuentra agua
diferencia mucho de la densidad
suturación y se puede tomar como:
los tubos bajantes y
cuya densidad no se
a la temperatura de
de
Plalaate = P1 = Peconqnlzador = pr (7 .2)
igual a la densidad del agua en la línea de
a Ia presión en el domo.
O sea, es
saturación
El empuje
formación
de circulación se presenta solo en Ia parte
de vapor.
P**u'e = (Hr"r-, + H2) (pr-Fr"""ul g (7.3)
(7.s)
Si condicionalmente se divide
partes ocupadas con agua ( fr) J¡
(fu), entonces, la densidad de
de la siguiente manera:
Ia sección del tubo fo, en
en partes oeupadas con vapot
la mezcla se puede expresar
Pnezcna = 9Ps* (1-tP) Pr (7 .4)
Donde: g Parte de la sección del tubo ocupada con
vapor. Se encuentra en tablasexperimentales de acuerdo a la presión,velocidad de Ia mezcla y contenido de vapor.
f_9=-FLo
Mediante la ecuación (7 .4), se puede expresar Ia
empuje como:
presión de
Pqru¡" = (H,npor+H2)i ( Pr- P"l e
2LO
(7 .6\
(7.e)
Como se observa en Ia ecuación (7.6), la determinación de
la presión de empuje exige hallar el punto en el cual
comienza la ebullición (Véase Figura 63), o sea, laaltura Hecononizado¡ eue se puede hallar igualando la cantidad
de calor necesaria para pasar el agua hasta el estado de
ebullición.
Qeconmízador = L'h6, (K,r/ sl (7.7)
Donde ^h
Diferencia de entalpía del agua a laentrada al hogar y la entalpía en el puntode ebullición.Flujo másico del agua.
Cantidad de calor tomada en un mismo tiempopor la altura.
G
Qecononi zador
Donde:
Donde ql :
Qonn :
Hrrp :
Qeconu,izador = He QecP .eonanizador ü
= Haeonomit"aorQf (7'8)
qf =eFlujo de calor específico tomado a un metrode altura de la pantalla de radiación, enKtü/m.
Absorción de calor de la parte inferior de lapantalla, €o KJ/s.
Altura total de la pantalla.
2tL
Entonces la altura deI economizador es:
^he-=--econontzadot ql(7.10)
se gasta en
los tubos
En régimen estacionario el empuje en el circuito en
circulación se gasta en sobrellevar las resistencias en los
tubos bajantes ( LPa"J"nr" ) y en los tubos ascendentes
(pantallas de radiación, AP.r" ).
(7 . LL',)P espuJe = LPbuJ*tu * APru"
El exceso de empuje que queda después de sobrellevar las
resistencias en los tubos ascendentes del circuito se llama
empuje úti1 de circulación:
PqpuJ" tltiL = P.wuj"- 4P."" (7.L2)
De las ecuaciones (7.LL) y (7.L2)
ecuación de circulacién:
se deduce la principal
Peapule útit = LPo"j"or. (7.13)
O sea, el empuje
sobrellevar, la
út.i1 de circulación natural
resistencia hidráulica en
2L2
baj antes .
7 .I.3.L. Itlétodo de Cálculo del Circuito de Circulación
Natural. Er cálcuIo del circuito de circulación se resume
en la definición de la velocidad de circulación vo. De laecuación ( 7.13 ) , se puede hallar la velocidad vo ta1, que
los valores Penpujeútii y A Pba¡ante sean iguales, sin embargo,
Penpuje útil y A Pba¡ante son funciones del valor buscado vo.
EI valor de Penpuje útil se halla con la fórmula (7 .LZ, ,
definiendo con anterioridad Penpuie de la ecuación (1 .3) y
A Prro. Este últino valor se puede hallar por partes con
iguares características térmicas, constructivas y físicas.
A P^"" = APr + Á P ""on*tzadot
tAPra*t + LP, (7.13)
cada uno de los varores correspondientes de la anteriorecuación ( 7.13 ) , se buscan considerando pérdidas por
fricción, accesorios, pérdidas debido al cambio del volumen
específico por altura y pérdidas debido a la gravedad,
todas estas pérdidas se colocan eonsiderando lascaracterísticas del flujo bifásico.
La resistencia hidráulica de
determina por la fórmula:
los tubos bajantes se
2L3
Donde z Z : Coeficiente de resistencia total.
Vol : Velocidad del agua en los tubos bajantes, s€determina de la condición de continuidad eneI circuito.
Gn"¡rnr. = G""" = Go ( 7. 15 )
Teniendo en cuenta la suma de áreas de los tubos
ascendentes ( Efo ) y bajantes ( Ef¡u:-rr" ).
-r2APn"j"nr. = z$ or (7 .L4)
Ef^vot= vo¡ft (7.16)uLbaiante
O sea eu€, la resistencia de los tubos bajantes también
depende del valor incognito buscado vo.
El valor de la velocidad V0, en m/s, €o las calderas con
domo se encuentra en los siguientes límites:
Pantallas de radiación con entrada directa en el domo
0.5 a L.5 m/s.
Pantallas de radiación con colectores superiores de 0.4
a L.2 mls.
2L4
Al cálculo del circuito de circulación natural le antecede
el cálculo térmico del hogar y la definición de las
características constructivas del circuito.
La velocidad vo puede ser determinada por el método grafo-
analítico, o sea, se escogen valores, por ejemplo, O.2.
0.6, 0.9, L.2 m/s y para eada uno de ellos se determina G,
A Penpuje útil, y A Pba¡ante . Con los resultados obtenidos se
construye un graf íco A Penouie útil = f (G), A Pbaiante = f (G),
formando así la característica hidráulica del circuito de
circulación natural (Véase Figura 7.5).
ABmpu¡e úttl
aPu"¡"nr"
aPb"¡"nt"
FIGURA 64. Característica Hidráulica de1 Circuito deCirculaci-ón Natural.
oE¡I
qo
tlo=¿E
d
2L5
l" la Figura
disminuye A
64, se
Penpuje úti1'
observa que
'ya que |p
con el aumento de G,
Y H,roo, son menores Y
aumenta A Pbrjrnt, ' debido a que aumenta la velocidad, de tal
manera que el punto de intersección entre las dos curvas
corresponde a1 valor verdadero de la velocidad ( flujomásico) de circulación, entonces:
- Gverdadero
"" - -pr
(7 .17 )
Los cáIculos deben ser
variables, número de
distribución de calor
radiación, entre otros.
eomplementados considerando cargas
tubos paralelos, uniformidad de
por altura de las pantallas de
7 .2. CIRCULACION FORZADA
En las calderas de circulación forzada se util-iza una bomba
colocada exteriormente, para forzar eL agua o el vapor en
los circuitos internos de la unidad, independientemente de
las tendencias circulatorias naturales (Véase Figura 65).
7.2.L. Ventajas. Se presentan las siguientes ventajas:
Las calderas son más compactas, tubos más pequeños, de
peso ligero, con menor volumen,
superficies de calefacción y
intensas del fogón, reducen
montaje y el peso de la unidad,
tiempo de instalación y la
costo.
Flexibilidad en la operación, Ia operación
de la circulación natural ( con
característica de inercia), permite un
2L6
mejor disposición de las
la posibilidad de cargas
al mínimo el espacio de
con 1o que se acorta alconsiguiente baja de su
independiente
su peculiar
calentamiento
k=4-8
RELACION DE PARTES:
l. Sum¡nlstlo tlcl ague dcallmontaclón
2. Coloctor'(domo)
3. Evaq|adón de Yapol3etürado
4. Suprrllclr rlc vaporlzadón
5. Coloctor Infctlol
G. Bomb. dc cllqrl|clón.
FIGURA 65. Esquema de Circulación Forzada.
Circulación real, é1 generador no está sujeto a lainestabilidad y dificultades que presenta Ia circulaciónnatural en las altas presiones de operación.
2L7
rápido, cambios repentinos en la t"rg., el
enfriamiento en períodos de tiempo cortos.
Reducción de los períodos de parada, el enfriamiento
rápido, así como eI corto período de calentamiento,
reducen la duración del tiempo muerto. Mayor seguridad
de operación, debido a la posibilidad más remota de que
se quemen los tubos.
7.2.2. Desventajas. Entre ellas se tienen:
Mayor costo
Bombeo,
demanda
1a
de
por requerir de bomba de circulación.
demanda de mayor trabajo de bombeo eleva la
fuerza auxiliar en el sistema.
Almacenamiento deficiente, la falta de capacidad de
almacenamiento dentro de 1a caldera, requiere
generalmente la instalación de almacenamiento de agua
en el sistema de alimentación de la misma.
Equipo auxiliar, €f, el diseño del equipo auxiliar se
presentan algunas complicaciones; por ejemplo, la alta
presión unida a la aLta temperatura, ya que
prácticamente se opera en condiciones de saturación,
acentúa el problema de los empaques para sellar las
bombas.
La Figura 66, ilustra una
y la Figura 67, presenta
forzada de una caldera.
218
caldera de circulación forzada
e1 principio de recirculación
FIGURA 66. Caldera con Circulación Forzada.
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2L9
PrincipioCaldera.
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E.gi¡
Recirculación Forzada de UnadeFIGURA 67.
220
7 .3. CIRCULACION DIRECTA
Como se mencionó anteriormente, Ia presión de diseño es ellímite para las ealderas de circulación natural y
circulación forzada. Ambas dependen de la circulación de
un excedente de agua y de que el vapor se separe del agua
en algún recipiente. La diferencia entre las densidades
del vapor y del agua, hace posible su separación. A
189 . 8 xe/ crr-b (27OO lb /pLeE) , el a1va pesa 545 . 4 xe/m3
(32.8 lb/pie3¡.
A medida que la presión aumenta, la diferencia entre la
densidad del vapor y la del agua decrece progresivamente
hasta llegar a una presión d,e 225.4 xg/cm? (3206.2 1b/pu12)
y temperatura de 373.74"C (705.4'F) críticas, en el que elpeso específico del vapor y del agva se igualan (más o
menos a 3L9. 4 Kg/m3 ( 20 lUlpie3 ¡ ¡ . Por esre motivo ya no
pueden ser separados en este punto, y s€ hace necesario e1
empleo de una caldera de circulación directa.
En las calderas de circulación directa, €1 agua de
alimentación es forzada a través de los circuitos de lacaldera continua, €D cuyo trayecto cambia de estado
(eonvirtiéndose en vapor), cambio que se origina, durante
su flujo, a 1o largo del total de la tubería. Después de
esto es ealentada, evaporada y supercalentada alsuministrarsele mayor cantidad de calor.
22L
La capacidad de generación de vapor es igual,
numéricamente, a La cantidad de agua que se le suministra.
Normalmente, este tipo de caldera no tiene domo. Debido a
que no se fuerza ningún exceso de agua a l-a caldera, no se
requiere otra clase de bombeo que el de las bombas de
alimentación de la caldera.
Esquemáticamente (Véase Figura 68), este tipo de calderas
se ilustra mediante un tubo largo, calentado por una flama,
en el que se inyecta eI agua por un extremo y del otro se
aprecia el escape de vapor. Debido a 1o rápido de la
conversión del agua en vapor durante su contacto con las
superficies calientes de generación, este tipo de calderas
recibe frecuentemente el nombre de caldera instantánea.
RELACION DE PARTES:
1. Bomba do allmüntadól.
2. Coloctor Inforlor:
3. Partc dc cconomlzador d. lasuporflclo dc calcntamlcnto
4. Suporflclc dc Yapor¡zaclón
5, Partr do rocalontador do vapordo la suporfldo do calcnt¡mlcnto
6. Evacuadón d"t vapor rcc¡lfnt¡do.
I
l'lII
I-I
J,
FIGURA 68. Esquema de Circulacíón Directa.
se
de
de
1.
222
El múltiplo de cireulación para este tipo de calderas es
K = 1,0 ( 1 Kg total de agua al circular una sola vez se
convierte en 1 Kg de vapor). A pesar de que esta caldera
proporciona una considerable economía en peso, ofrece las
siguientes complicaciones de diseño:
Las sales precipitadas y los cuerpos sólidos que
adhieren a los tubos a consecuencia del proceso..'evapotízación, necesitan ser eliminados por nedio
algún sistema de limpieza o lavado.
La temperatura de vapor supercalentado varía
rápidamente debido a que eI punto de evaporación en el
circuito, cambia con las fluctuaciones de la carga.
Con capacidades bajas de vapor, Ia corriente lenta del
agua de lugar a una formación muy rápida del vapor,
oeasionando el sobrecalentamiento de los tubos.
La bomba
presión.
de alimentación tiene que ser de muy alta
El agua que circula debe ser lo más limpia posible,
debido a que no hay forma de purga.
La Figura 69, muestra
circulación directa.
2.
3.
4.
5.
esquema de una caldera de
223
r====t uil¡='r=:coo¡c¡c¡l-Fo'GEF
-IÉo
EÁ
Caldera con Circulación Directa.69.FI€T'RA
8. TRATATTIIENTO DE AGUAS PARA PLANTAS TERII{ICAS
EI aglra químicamente pura es difíciI de conseguir, debido
a que es el solvente universal donde todas las sustancias
son solubles hasta cierto grado. Por 1o tanto, La
composición de1 agua refleja 1a naturaleza del terreno
donde fue obtenida, y d€ allí que la calidad del agua varía
con su origen y con la estación climatológica reinante.
El fin del tratamiento de aguas en una planta térmica es
mantener una determinada calidad del agua y del vapor que
se produce, para evitar fenómenos tales como: depósito de
substancias incrustantes, corrosión en las superficies
metálicas y accesorios, arrastre o espumas y fragiLidad alacero de las calderas.
8.1. CARACTERISTICAS DEL AGUA
El agua que se utiliza en las plantas térmicas se toma
generalmente en su estado natural de ríos, lagos y pozos,
en muy raros casos del mar, y antes de ser sometidas alciclo necesitan ser tratadas de acuerdo a unas exigencias
225
que se acentúan con el aumento de los parámetros de vapor.
Las principales impurezas que contiene el agua natural Son:
Impurezas en forma de gases.
Partículas dispersas ( con medidas hasta de 10-5 cm) .
Soluej-ones coloidales (partículas hasta 10-7 cm).
Otras soluciones (con partículas hasta 10-8 cltr, o sea
moléculas e iones).
B1 contenido de cualguier sustancia en el agua se expresa
en concentraciones, estas pueden ser:
Goncentración masica (mg/Kg, mKg/Kg, mg/L) .
Concentración normal (ng-équivalente/l, mKg-eq,/l) .
Partes por millón de solución (p.p.m). Una parte por
mitlón equivale a un miligramo por litro.
EI agua limpia de gases disueltos y de partículas dispersas
constituye un electróIito, o sea una solución compuesta pot
cationes y aniones.
Cationes
Aniones
ca2+
cl- ,
226
, Mg2*, rtr'* , H* y otros.
So42-,col2- sio32-, Po43- y otros.
sobrepasa 2 mg-eq/Kg el agua se considera
mg-eq/Kg medio dura y de 5 mg-eq/Kg en
alta dureza
8.1.1. Parámetros que Determinan la Calidad del Agua.
Entre los parámetros que determinan la calidad del agua se
tienen:
8.1.1.1. Dureza. Se define como el contenido de Ia suma
total de los cationes de calcio y magnesio (Ca, Mg)
contenidos en el agua en mg/l, mg-equi/L. La dureza puede
ser de carbonatos como Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2.
Si la dureza
suave, de 2
adelante agua
8.1.1.2. Contenido
contenido total de
forma de SiO2r SiO3,
especialmente en los
de Sílice. Se caracteriza por e1
silicio en e1 agua, generalmente en
eI cual ocasiona fuertes sedimentos
álabes de las turbinas.
no
a5de
8.1.1.3. Contenido
minerales ( sales en
de Sales. Se
estado soluble).
8.1.1.4. Contenido de
de impurezas oxidantes,
de oxígeno, normalmente
compone de impurezas
Oxígeno. Caraeteriza eI contenido
por 1o general se mide eI contenido
es igual a L/3 mg/L.
227
8.1.1.5. Alcalinidad. Se define como compuestos
neutralizantes de ácidos presentes en e1 agua y en general
en aguas naturales; está dado por Ia presencia de
bicarbonatos, carbonatos, fosfatos y otros. La alcalinidad
se mantiene con dosis de soda, fosfatos de sodio y en
algunos casos con amoníaco.
8.1.1.6. P.H. El PH en el agua.de la caldera debe
mantenerse en un nível intermedio ya que un PH demasiado
bajo acelera la corrosión. La fórmula para calcular el PH
es:
PH = -Lg CH (8.1)
Donde CH : Concentraeión de átomos de hidrógeno.
PH > 7, agua básica (alcalina), PH < 7, agua ácida, PH = 7,
agua neutra.
a.I.z- Problemas que se Presentan en las Calderas. Los
principales problemas que Se presentan en lab ealderas como
consecuencia de un deficiente o nulo tratamiento de agua
son: corrosión, incrustaciones, fragilidad, picaduras '
arrastre, etc.
8.1.2.L. Gorrosión. Es un desgaste anormal o disolución
de un metal al reaccionar con su medio ambiente,
228
ocasionando así una disminución de sus propiedades
mecánicas. Aunque los .factores que más influyen en esteproceso son innumerables, 10s más importantes son: oxígeno
disuelto, concentración de iones, hidrógeno, velocidad delagua, temperatura y bajo PH.
8.1.2-L.1. Oxígeno Disuelto. particularmente todas
agua neutras contienen oxígeno disuelto y por ellocorrosivas.
La velocidad de corrosión se encuentra aproximadamente en
proporcionaridad, varía dependiendo de otros factores como
concentración del ión hidrógeno, eI pH del agua y
condiciones de servício y temperatura.
8-1-2-L.2. concentración de rones de Hidrógeno. La altaconcentración de iones de hidrógeno, tiende a aumentar lacorrosión del metal, debido a que un aumento de estos iones
signifíea una mayor aci-dez.
En aguas neutras o alcalinas predomina 1a remoción de
hidrógeno por oxidación, pero en aguas ácidas es dominante
la despolarización del agua catódica, por eIdesprendimiento de burbujas de hidrógeno.
las
son
8. 1. 2.t -3.
del agua que
Velocidad del Agua.
pasa sobre el metal,
Un aumento de velocidad
aumenta la velocidad de
229
corrosión. Generalmente se debe al hecho de que eI
movimiento rápido del agua sobre Ia superficie acarrea
cantidades mucho mayores de o*r*".,o en contacto con eI
metal
8.1.2.L.4. Temperatura. Debido a la solubilidad inversa
del oxígeno, a mayor temperatura Se libera más oxígeno, €1
cual se dirige hacia las superficies, atacándolas.
El fenómeno de la corrosión eS uno de los más preocupantes
a causa de los graves daños que produce y Por los
innumerables factores que en ella intervienen y
frecuentemente juntos, se considera en.tre los más complejos
y difíciles de la química inorgánica.
si se considera un pedazo de hierro sumergido en agua
químicamente pura en donde como se ha visto, parte del agua
está disociada como H+ y OH-, €fl el instante en que este se
pone en contacto con el agua se establece un campo
eléctrico, por efecto del cual un cierto número de átomos
de hierro se desprenden de la masa metálica como iones
positivos.
Fe ----) Fe++ 2 electrones
o captando La earga de los iones Hi como:
Por otro lado parte de los
equilibrio, se combinan
hidróxido ferroso:
230
2 electrones 2H
iones OF, que ya no están en
con los iones Fe++ formando
2#
Fe++ 20'r{
A su vez e1 hidróxido ferroso en sorución eleva ra
concentración del 1íquido y la corrosión terminaría por
pasar o al menos dísminuir considerablemente su velocidad:
esto si en el agua no estuviese presente el oxígeno pero
como está presente, el hidróxido ferroso se oxida a férricoeI cual es insoluble.
4Fe(OH)2+2\o+o,
Este hidróxido férrico se precipita rompiendo nuevamente elequilibrio y reiniciando el proceso. El hidróxido atómico
que se ha formado se deposita sobre el cátodo hasta elpunto en que Ta fuerza erectromotríz del hidrógeno se opone
a1 flujo de la corriente en la celda deteniendo 1a
reacción; este fenómeno recibe el nombre de porarizacíón.
2 electrones + 2H++ 2H
cuando e1'oxígeno está presente se dirige hacia el área
23L
catódica reacciona con ely permitiendo que continúe
hidrógeno atómico formando agua
la acción corrosiva.
El oxígeno disuelto es un factor importante en el mecanismo
de la corrosión por su acción propia y estabiJ-ízant-e en los
otros procesos corrosivos principalmente en su acción
oxidante de las sales ferrosas que llegaría al equílibrio
de férricas insolubles eon 1a consecuente actividad y
continuación del proceso primario. Sin embargo, cuando se
disminuye el PH de la solución, la presión. del ión
hidrógeno en el cátodo es sufieiente para permitir que se
libere eI hidrógeno y la corrosión pueda continuar en
ausencia de oxígeno.
Otro tipo de corrosión, e1 más común es causando por
oxígeno disuelto en eI agua y por bajo PH causando por la
presencia de dióxido de carbono. El coz se origina
directamente del agua de alimentación o de la
descomposición de carbonátos en e1 agua, de la siguiente
forma:
HCO3-
cot + Ito ----> 2or{ + Col
En el condensa.do, el COz se combina con agua para formar
ácido carbónico.
232
COn + HnO¿t,tJ
El ácido carbónico se íoníza produciendo ión hidrógeno e
ión carbonato:
H2CO3
La corrosión por hierro se presenta como resultado de un
bajo PH:
Feo
La reducción del ión hidrógeno ocurre en el cátodo de lacelda de corrosión en dos etapas:
2H+ + 2e
cuando esta reacción ocurre, el ión ferroso: producido se
combinará con el ión bicarbonato para formar bicarbonato
ferroso:
Fe++ + 2HCOI-
EI bicgrbonato se puede descomponer para formar carbonato
ferroso o hidróxido ferroso:
233
Fe(HCo3 )2
Fe(Hcor)2
Estas reacciones liberan COZ haciendo que el ciclo se
repita. La corrosión por bajo PH ataca e1 metal
especialmente en las roscas de las tuberías y en las
secciones sometidas a esfuetzo.
8.1.2.2. Problemas por Picaduras. Altos esfuerzos y
elevadas temperaturas en las superficies metálicas de Ia
caldera, aceleran los procesos de corrosión. Esfuerzos
cíclicos causados por rápidos enfriamientos y
calentamientos son sitios de concentracién de desgastes por
picaduras y corrosión por donde normalmente fallan los
tubos
8.1.2.3. Problemas por lficrustación. La formación de
depósitos sólidos dentro de las calderas bajo condiciones
de producción de vapor, da como resultado la acumulación de
lodos o la formación de incrustaciones. Los depósitos en
forma de incrustacioones son sumamente perjudiciales, ya
que son malos conductores del calor' causan reducción de la
eficiencia y a menudo son responsables de que Se quemen los
tubos o placas.
234
8.1. 2.4. Problemas por Fragilidad. El efecto fragil izante
del hidrógeno de sodio sobre el acero se debe aI
desprendimiento de hidrógeno y a La absorción por el acero
del hidrógeno en estado naciente. Este fenómeno se
facilita cuando se emplea agua de tipo fragiLízante y
cuando existen espacios estrechos en áreas sumamente
tensionadas en las que puede haber soda cáustica.
8.1.2.5. Problemas por Arrastre en el Vapor. La
produeción del vapor limpio y seco ha llegado a ser un
problema mucho más urgente conforme la eficiencia de1
equipo generador de ha ido aumentando mediante el .tr"o de
calderas de alta presión. Cuando se arrastra agua de
calderas en el vapor, esta puede producir depósitos en las
líneas principales de vapor y en las válvulas, €D los
sobrecalentadores y en las tuberías.
En contraste con este tipo de arrastre, se presenta debido
a las ebulliciones extremádamente rápidas, casi explosiva
del agua en las superficies de calentamiento, 1a cual
produce una proyección del líquido en el domo del vapor.
El arrastre también puede producirse cuando las burbujas de
vapor suben de las superficies de calentamiento formando
una capa de espuma sobre la superficie del agua. La espuma
puede llenar el espacio del vapor a tal grado que parte de
ella entra a los tubos conductores del vapor.
235
En la Tabla 11, se relacionan las impurezas con los
efectos del agua para calderas.
TABLA 11. Impurezas y Efectos del Agua para Calderas.
IMPUREZA EFECTO
Oxígeno
CarbonatosBi-carbonatos Alcalinidad ArrastreHidratos
Hi-erro
Materia Orgánica
Corrosión
Espuma
Fragilidad Cáustica
ColorDepósitos
DepósitosToxicidadCorrosión
ColorDepósitosInterferencias en e1 análisis
Só1idos Suspendidos
Sulfatos Depósitos
Sílice Depósitos en turbinasDepósitos en calderasDepósitos en otros equipos
Acido Sulfídico (HrS) CorrosiónOlor
Dureza (Ca, Mg) DepósitosFuente: CASTRO MORA, Javier. Operación Efici.ente de
Calderas y Hornos Industriales. UniversidadNacional de Colombia. Facultad de IngenieríaMecánica, Página 239.
8.1.3. Origen y Comportamiento de las Impurezas en el
Agua. El origen y comportamiento de las impurezas en el
agua se debe a varios factores:
236
8.1.3.1. Succión de Agua y Aire en los Gondensadores.
Generalmente los condensadores de las turbinas de vapor son
de superficies, o sea el vapor se condensa utilizando como
medio refrigerante agua de ríos, pozos, mar, etc., que se
hace pasar por tubos (superficies de intercambio) con una
presión de 150 KPa a 200 KPa, mucho mayor que la presión
del vapor que se condensa (5 KPa), lo que hace posible que
a la mínima falta de hermetismo en Ia tubería (ma1a unión,
poros, problemas de corrosión) se produzea eL paso de agua
refrigerante al lado de vapor (agua tratada), contaminando
de esta manera eI agua de todo el ciclo. Además de esto se
puede haber succión de aire hacia el lado de vapor debido
al vacío en el condensador (aproximadamente 5 KPa), en elaire se encuentran gases agresivos como 02, coZ y N2 que
pueden ocasionar problemas de corrosión, con el agua
refrigerante entran sulfatos y bicarbonatos de Ca, Mg y Na
y sílices.
8.1.3-2. Con el Agua Adicional. Agua para suplir pérdidas
de vapor y eondensando en el eiclo. A veces esta agua
puede contener uniones de sodio, productos de corrosión y
otras impurezas, e incluso gases disueltos 02 y COl.
8.1.3.3. Con Productos de Corrosión. Principalmente de
precalentadores y otros intercambiadores óxidos de Fe, Cu,
C'r, Ni, Zn, AL y otros . Las impurezas se pueden encontrar
en suspensión o en solución.
237
Las impurezas difícilmente solubles como las uniones de Ca
y Mg forman sedimentos dificultando la transferencia.
También puede haber sedimentos de otras unionesr Na3POO
(fácilnente solubles en agua). El paso de las impurezas eR
solución a fase sólida ( cristalización) sucede si la
concentración de estas impurezas es mayor que la
solubilidad de las mismas en eI agua a unos parámetros
dados. Algunos eristales se pegan a las superficies
formando sedimentos, otros quedan en solución formando
fangos.
La solubilidad de las impurezas en el agua depende de sus
propiedades y de los parámetros del medio: presión,
temperatura y en otros casos también PH.
La Figura 7O, muestra La solubilidad de los principales
parámetros de sedimentos de acuerdo a 1a temperatura.
Según esta gráfiea, los silicatos y sulfatos de calcio y
magnesio son los más difíciles de sacar por su gran dureza
y por que no tienen 1a propiedad de aglutinarse y asentarse
en los colectores como los demás {CaCOr, MB(oH)z), los
cuales pueden ser evacuados fácilmente después de
calentarse.
Los productos de la corrosión (óxidos de hierro y eobre) en
parxe se quedan en La superficie y pueden pasar al agua
para luego pegarse a otras superficies aumentando su
238
resistencia térmiea ya que su conductividad es muy baja en
comparación con Ia del acero (0.08 4.0 Iü/m"C) contra
(30 - 45) trrl/m'C en los aceros, por eso una mínima capa
(0.1 / O.3) mm puede representar peligro para el confiable
trabajo de las superficies.
mg/Kg12l¡
1('('
ao
ao
4('
20
FIGURA 70.
troG
Solubilidad de los Principales Parámetros deSedj-mentos de Acuerdo a Ia Temperatura.
Algunas impurezas del agua pueden pasar al vapor
principalmente en dos formas: con eI arrastre de gotas de
agua hirviente y como consecuencia de la solubilidad que
tienen argunas impurezas en el vapor los hidróxidos de
metales y los óxidos de sílice tienen una alta solubilidaden el vapor recalentado y crece con el aumento de Iapresión al contrario de las sales de ca y Mg que diminuyen
en el vapor recalentado.
239
Las impurezas en el vapor forman sedimentos en los
recalentadores de vapor y en los álabes de las turbinas.
En el primer caso dificultan La transmisión de calor
calentando las paredes de La superficie y en el segundo
caso tiende a aumentar la fricción en los álabes aumentando
la resistencia al paso de vapor y por consiguiente los
esfuerzos axiales, disminuyendo la eficiencia y
contabilidad de1 turbo grupo.
8. f .4. l4étodos para tlantener los ParáDetros del Agua en su
Valor Normal. Entre las principales aetividades utilízadas
para mantener el agua en parámetros admisibles se tienen:
Preparación del agua antes del arrarique.
Organización de purgas continuas y periódicas.
Preparación del agua para 1lenar pérdidas en el ciclo.
Desgasificación del agua de alimentación.
Dosificación del aglJa con compuestos que corrijan el
régimen de1 agua.
Ejecución de lavados en la caldera después de una larga
parada. (Además utilización de compuestos de
conservación y anticorrosión).
-- - inltlttttl,túAut0noma de 0ccidcnte II rircíjtoN BlBLtorEcA It -.................,'.,.*--4
8.1.5. Tratamientos
Entre los tratamientos
se tienen:
240
Específicos del Agua para Calderas.
específicos para el agua de calderas
8.1.5.1. Tratamientos Típicos para el Agua Cruda.
tratamientos típicos para el agua cruda se tienen
siguientes:
8.1.5.1.1. Coagulación. Las aguas crudas contienen
proporciones variables de sólidos suspendidos en cuanto atamaños, y los que son relativamente finos que aparecen
como turbidez y color no son removidos por sedimentación.
El fin de la coaguración es limpiar el agua de impurezas
coloidales y de esas partículas en suspensión como
resultado de la aglomeración de las mismas, o sea formando
partículas más grandes (pesadas).
Para Ia remoción de estas partículas se utilizan por
general coagulantes comunes como son sales de hierroaluminio, cloruro férrico, sulfato ferroso, sulfatoaluminio (alumbre) y aluminato de sodio.
8.1.5-1.2. Desgasificación. El aire disuelto en elcondensado, en el agua de alimentación y en eI agua
adicional, contiene gases agresivos (02, coz) que provocan
la corrosión del equipo y ras tuberías de Ia centrar
Los
los
1o
v
de
24L
Termoeléctrica para
el gas se emplea la
la protección
desaireación.
contra la corrosión por
La desaireación térmica
solubilidad de los gases
Ia temperatura.
Además de este método'
contrarrestar los restos
basa en la disminución de la
02 V CO2 en el agua al aumentar
utiliza Hidrazina (NZH¿) para
oxígeno que quedan.
se
de
El proceso se lleva a cabo en los desaireadores
(desgasificadores) que son intercambj-adores de eontacto
directo entre los medios vapor y agua. La desgasificación
se basa en Ia ley de DALTON (Ley de las Presiones
Parciales ) según la cual 1a concentración de los gases
disueltos en el agua es proporcional a la presión parcial
de los gases sobre la superficie del agua- A1 hervir eI
agva la presión parcial de los gases sobre la superficie
disminuye, de igual manera su concentración. Parte de1
vapor se ventea a la atmósfera transportando la mayoría de
los gases disueltos.
Los desaireadores también sirven para almacenar agua de
alimentación a parte de actuar como un precalentador más.
se
de
NlHt + ot ----> Nt + 2\O
242
De la relación resulta agua y nitrógeno que no causan daño
a la caldera, pues eI nitrógeno es inofensivo y es
desalojado junto con el vapor. Si la eficiencia de lahidracina es del ciento por ciento, una P.P.M. de hidrazj,na
removerá 1 P.P.M de oxígeno.
8.1.5.1. 2.L - Principio de Funcionamiento de un
Desaireador. uno dé los desaireadores más comunes es eldesaireador de chorro y goteo, en este, el agua a desairear
se suministra a través de la eámara mezcladora al prato
distribuidor superior en forma de anilIo; a través de losorificios de 5 mm a 8 mm de diámetro en eI fondo de este
plato eI agua cae en forma de lluvia aI siguiente platodiscoidal (tamiz), dispuesto bajo eI primero, etc., se
emplean de dos a cinco platos dispuestos uno bajo el otroa la distancia de 400 a 1200 mm. Los platos se hacen
alternativamente en forma de discos en el centro y anulares
contiguos a la pared interior de la columna.
El vapor de calefacción se suministra a Ia parte inferiorde la columna a través de un colector centrar con
orificios. Al subir, el flujo de vapor pasa sucesivamente
a través de los inventarios entre los platos centrales y lasuperficie interior de la pared de la columna y por dentro
de los platos anulares, atr'aviesa eI chorro de agua
carentándo1a hasta ra temperatura de saturación (véase
Figura 7L-a.) los gases que se desprenden del agua junto
243
con una parte pequeña de vapor y aire se evacuan de la
columna a través del racor central (3) en su parte
posterior (del desaireador de vacío, mediante un eyector)
(Véase Figura 71.b. ).
JI-f¡-ffif,f,llllF
a)RELACION DE PARTES:1. Alrc
2. Enfrl¡dor dcl vapor exc¡¡lvo3. llczcl¡ de vepor y elrc4. Roguhdor d¡ nlv¡l do ague
5. Ev¡cu¡clón dcl egur d¡c¡lrcad¡
b)
8. Evacu¡clón d¡l condcn¡¡do dcl vepor excealvo
7. Sumlnlrtro del egue ¡ dec¡lre¡r8. Sumlnl¡tro del vapor de c¡hf¡cclón9. Bomb¡ de ¡llment¡clón1O. Eyrctor
FIGURA 7L. Montaje del Desaireador Térmico: a. DePresión Atmosférica o Elevada. b. De Vacio.
8.1.5.1.3. Osmosis Invertida. En este proceso una
membrana semipermeable permite el paso de iones desde una
244
solución más concentrada a otra menos concentrada sinpermitir el proceso inverso. De esta manera los sólidos
disuertos en e1 agua se reducen significativamente. Los
costos de instalación y operación son altos.
8.1.6. Tratamiento Externo del Agua de Alinentación.
8. 1.6. 1. Precipitación Quínica. Los métodos de
precipitación se utirizan para reducir dureza, arcalinidady en algunos casos sílice. se añade ciertos compuestos
quÍmicos que reaccionan con los minerales disueltos en elagua produciendo compuestos relativamente insolubles.Entre los más utilizados se tienen:
8.1.6.1.1. suavizací6¡. se utíLiza para Ia disminución de
la alcalinidad y por consiguiente de la dureza del agua, o
sea de los iones de ca y Mg. Los elementos que se utilizanpara la disminución de la dureza son ear (caoH) o carbonato
de soda (Na2c03 ) . Estos elementos tienen la capacidad de
reaccionar con los carbonatos ca(HCo, )2 v Ms(Hco3)2 y formar
C2CO3 y Mg(OH)l los cuales no se adhieren a las paredes y se
precipitan en forma de lodos. El proceso de suavización se
puede reaLízar combinado con el de coagulaeión.
8-1.6.L.2. Proceso de rntercambio rónico. Este proceso se
utiLj-za cuando se requiere una suavizaeión más profunda.
245
Los minerales disueltos en e1
cargadas eléctricamente llamadas
calcio se íoniza de la siguiente
agua forman partícu1as
iones. El bicarbonato de
manera:
1. Unión calcio Ca++ con dos cargas positivas (catión).
2. Unión bicarbonato HCO' con una car5a negativa (anión).
Ciertos materiales entre los que se incluyen las resinas
sintéticas, que pueden remover iones minerales
intercambiandolos por otros. Usando uRa resina de
intercambio catiónico, los cationes ca++ y Mg** son
absorbidos y el catión Na' Se libera. Usando una resina de
intereambio aniónico, ciertos aníones como el HCO3- (ión
bicarbonato) y SO¿ = (ión sulfato) son absorbidos y
reemplazados con OH- (ión hidrógeno).
Los intercambiadores iónicss son regenerados con cloruro de
sodio (NaCl) o ácidos (H2SO4 o HCl) para intercambiadores
catiónicos, y con soda cáustica (NaOH) o hidróxido de
amonio (NHpH) para intercambiadores aniónicos dependiendo
del tipo de proceso.
La Figura 72, muestra un
suavizaeión con resinas Na.
esquema deI proceso de
RELACIOI{ DE PARTES:
l. Agua cruda
2. Bomba
3. Tanquo mozclador para cl coagulantr y la cal4- Flltro
246
e. SoluAón espcdel pa?a genrlar rc.lnas7. Tanquc con ague p¡?¡ llmpltz. dc flltlo¡6. Agua suayr5.Re.¡n¡s dc ao.l¡o
FIGURA 72. Esquema Tecnológico del procesoSuavización con Resinas Na.
8.1.6.2. DesmineralízacíÓn. Este proceso se aplicasolamente en plantas en donde se requiere agua de altÍsimapvreza, por ejemplo, €n calderas de alta presíón.
Principalmente se puede sacar las sales de sodio y siricio.
La desmineraLización se puede reaTizar por métodos térmico(destilación) y químico.
8.1.6.3. Térmico o Destilación. Se utíIíza en losevaporadores que son intercambiadores de superficie en loscuales utilizando calor de condensación del vapor de una
247
de las extracciones de Ia turbina se recibe un vapor
secundario (destilado). Generalmente se uti]-j-za este
método para suplir pérdidas
La Figura 73,
evaporación.
RELACION DE PARTES:
l. Evaporador
2. Dcs¡lreador {desg.slflcrdor}3. Procrlcntador dc egue de allmont¡clón4. Enr¡d. dc egu. 8u.Yc de .llmontadón
esquema de1 sistema de
5. Extaocdón do vapor dc la turblna
6. Yapor srq¡ndarlo (dcctll¡tlo)7. Condcns¡do8. Purg. dol .v.po?¡dor.
muestra un
FIGURA 73 Equipo de Evaporación.
8.1.6.4. Químico. Se basa también en adherir los
diferentes aniones y cationes que se encuentran en el agua
por medio de resinas.
PARTES:
248
8.1.7. Tratamiento Interno del Agua para Calderas.
Complementa los dos tratamientos anteriores, puesto que
pequeñas cantidades de impurezas (hierro, dureza, oxígeno
o sílice) puede causar serios problemas en la caldera. Con
el tratamiento interno se pretende conseguir los siguientes
obj etivos :
1. Eliminar dureza del agua por medio de agregados
químicos.
2. Por medio de acondicionadores sintéticos o naturales
prevenir la acción de sólidos suspendidos sobre las
superficies metálicas .
3. Por medio de químicos antiespumantes prevenir el
arrastre.
4. Por medio de atrapadores de oxígeno prevenir la
corrosión.
5. Conciertos compuestos químicos mantener suficientealcalinidad para minimizar corrosión.
8.1.7.1. Elininación de Dureza. La dureza del agua no
eliminada en los dos primeros tratamientos. QuÍmicamente
se comporta de la siguiente manera:
249
Bicarbonato
Carbonato
calcio
sodio
Carbonato de
Hidróxido decarbono
calcio insoluble
Sodio+Dióxido de
(cada una de las
fosfóricos ) .
de
de
8. 1. 7 .L.L. Ac.ción
sales o ésteres de
de Fosfatos. Fosfato
los diferentes ácidos
Los fosfatos aetúan de la siguiente manera:
Entre los compuestos más utilizados se tienen:
NaH, POO
Na2HPOO
Na, PO,
NaPO,
EI compuesto resultante es eI fosfato de
que precipita en forma de lodo.
Fosfato de sodio+
Bicarbonato de calcio
Fosfato de ealcio
Carbonato de sodio
calcio Ca, ( POa )2
En presencia de soda
reacción:
ñiñi¿t¿ Anillnnnra de occid¿nt¡
sECCloN ulBLl0lEcA,-
cátrstica, ocurre 1a siguiente
Hidróxido de Sodio+
Bicarbonato de Magnesio
¿s0
Hidróxido de üagnesio
Silicato de üagnesio(si hay Sílice)
l-os iodos formados son removidos de la caldera por medio
purga.
8.1.7.2. Sílice. Tiende a precipitar como incrustación y
dar lugar a la formación de puntos calientes.
Normarmente este probrema se controla conservando altaalcalinidad para solubiLízar la sílice, con materiales
orgánicos para prevenir Ia adherencia de las superficiesmetálicas o por medio de tratamiento con polímeros
sintéticos.
8.1.7.3. Tratamiento de Condensados de Vapor. La
corrosión causada en las lÍneas de condensado de vapor se
origina por eI COZ (que forma ácido carbónico) y el Oz
presentes en el condensado de las Iíneas. Los sistemas se
protegen por medio de eiertas aminas que forman capas
protectoras de las superficies metálicas.
8.2. PURGA DE LA CALDERA
Puede ser continua o periódica. se usa para sacar rodos,
restos de corrosión y otras impurezas que por su peso se
25t
van almacenando en el fondo del domo o de los
La putga continua generalmente se mantiene en
del total de la producción de vapor.
colectores.
0.5% a 1.0%
En Ia Fígura 74, se ilustra un esquema del equipo de purga'
la Figura 75, muestra un esquema de un sistema. de
tratamiento de agua pafa calderas y la Tabla A2, se
presentan datos guías para Ia ealidad del agua para
calderas.
RELACION DE PARTES: l. Domo; 2- Purge perlódlca: 3- Tom¡ dc purge:4. vályula:5. Válvula dc rcgulaclón do pulga; o. Expansol; 7. Agua dc lapurga; E. Int.rcamblarlor ds calol.
\- - -\-_ -J
FIGURA 74. Esquema del Equipo de Purga.
252
AGUA CNUDA
FILTRACION
DES''TNENALTACION
SUAVIACION
DESA'NEAC'ON
BOMBA DEALIMENTACION
TRATAM'ENTO GTUIMICOINTENNO
CALDENA
PURGA (CONflNUAO INTENMITENTE
FIGURA 75. Esquema de un Sistema de Tratamiento.de Agua.
253
TABLA L2. Datos GuíaCalderas.
para Ia Calidad del Agua de
PTESI|I| IIE
SAIIDA GATIIIM
( PSrGI
AI.ITE|IAGIOX
s|ll,rt]0s
IOTAI,IS
P.P.t.
AIGALIiID,ID S0[ID0S Sttt0ü
{T0rAr,l susPExDrll0s
P.P.I. P.P.[. t.P.I.
c0Dt[ DUtEz IP.t.il. P.P.t.Cu GaG0,
c0iltucttrcIAESPICITICA
IIGt0ilH0$/cr
lInt|)P.P.t.
Fe
0 - 300 3s00
301 - 450 3000
451 - 600 2s00
601 - 750 2000
751 - 900 1500
901 - 1000 1250
1001 - 1500 1000
l50l - 2000 750
700 300 125 7000
600 2s0 90 6000
500 150 50 5000
400 100 3s 4000
0. 100 0.050 0.300
0.050 0.025 0,300
0,030 0,020 0.200
0.025 0.020 0.200
0,020 0.015 0.100
0.020 0,01s 0.050
0,010 0,010 r{D
0.010 0,010 ilD
300 60 20 3000
I t000
2.5 150
250
200
4U
20
150 l0 1.0 100
ND : No Deteetable.
9. BASES PARA EL CALCULO AERODINATT{ICO EN CATDERAS
Antes de comenzar el cálculo aerodinámico en calderas,
necesarío identificar el conducto de aire y el conducto
gases.
El conducto de aire está conformado por los diferentes
equipos para Ia succión e incremento de la presión del
aire, precalentamiento, transporte y suministro del mismo
al hogar de la caldera.
El conducto aire incluye: eI conducto de aire frío, €1
conducto de aire caliente, €l precalentador de aire (lado
aire), los quemadores, Ta resistencia aerodinámica de todo
el conducto de aire y del ventilador de tiro forzado.
El conducto de gases incluye: varios elementos por los
cuales lleva a cabo el movimiento de los productos de losgases, desde el hogar hasta la salida hacia la atmósfera,
e incluye el conducto horizontal de gases y el conducto por
convección o vertical de la caldera, teniendo en cuenta en
estos todas las superficies de intercambio, el
es
de
255
precalentador de aire ( Iado gases),
chimenea.
eI filtro 1a
Las pérdidas aerodinámicas por el lado de los gases se
sobrellevan por medio del ventilador de tiro inducido.
El conducto de gases y el conducto de aire se unen efi una
forma consecutiva (uno después del otro), a esta unión Se
le conoce como conducto aire-gases.
El paso de un conducto a otro se teaLiza en el lugar de
salida de Ia mezcla aire-combustible caliente, €s decir
desde Ia salida de los quemadores hacia el hogar de la
caldera.
El esquema de conducto aire-gases se representa
principalmente en la Figura 76. En este esquema el aire
se transporta por medio de los ventiladores y todo e1
conducto de aire.
El trayecto ventilador-quemadores se encontrará a una
presión mayor que la atmosférica, los productos de la
combustión se expulsan de la caldera por medio del tiro
inducido de tal manera que todo el hogar y todos los
conductos de gases Se encuentren con un vacío relativamente
pequeño. A este esquema se Ie eonoce como esquema de tiro
inducido.
256
RELACIO¡I| DE PARTES:
ll. llollnoeC. Galdsr¿
F. Flltro
FIGURA 76.
l. A|?c prlmallo
ll. Alrc aocund¡rlo
PA PrccNlcntadot dc alro
Vl. Vcntll¡dor dc tlro Inducldo
VF. Vcntll¡dor dc tlro forzrdo
Esquema de Tiro Equilibrado de Una Plantaque Trabaja con Carbón Pulverizado.
El transporte del aire hast.a el hogar y los productos de Ia
combustión hasta la salida hacia la atmósfera se puede
reaLizar también con ventiladores especiales de mayor
presión. En este caso, el hogar y el conducto de gases se
encontrarán con una determinada sobrepresión, o sea bajo
presión manométrica, y generalmente se puede prescindir del
tiro (Véase Figura 77). Para mayor aclaración la Figura
78, ilustra la distribución de presión en todo el conducto
gas-aire ¡ ya sea trabajando con tiro equilibrado o con
sobrepresión.
257
FIGURA 77. Esquema de CalderaTrabaja con Gas y Fuel
RELACIO¡{ DE PARTES:
G. Grltora
PA Prccalent¡dor dr alrc
VF. Vontll¡dor d0 tlro fotzrdo
con Sobrepresión queoi1.
KPa.
7
6
5
4
3
2
1
RELACION DE PARTES: a. caldcra con sobrupre¡lón; b. Caldcrr con tlro squlllbrado: l.Ye¡tllaior dt tlro forzado; 2. Procalantador do al?o lado alre; 3. Quomartor; ¿1. Caldora;5. Procalantedor ds alru la.lo gasos; 6. Vontllarlor dG tlro Inducldo; Z. ChlmcnEa.
Distribución de Presión en el Conducto Aire-Gases.
zoant¡¡Eo.t¡¡Gooo
FIGURA 78.
2s8
El gráfico de la Figura 78, es bastante explícito, en éI
se pueden observar algunas cosas como por ejemplo: la
presión por la línea (b); se trabaja con sobrepresión
prácticamente hasta la entrada a los quemadores de 1a
caldera, a partir de estos, s€ trabaja con presiones
negativas.
Cuando se llega al tiro inducido se produce un incremento
bastante grande en la presión, pero aún se sigue con
presiones negativas. El resto de presión necesaría para
expulsar los gases al medio ambiente a la presión
atmosférica, la aporta la chimenea.
Cuando se trabaja por la línea (a), casi toda la caldera
trabaja con presiones positivas, desde que la toma del tiro
forzado hasta casi la salida del precalentador de aire del
lado de los gases; prácticamente todo el sistema trabaja
con el ventilador de tiro forzado, por último 1o ayuda
también Ia chimenea a salir al medio ambiente.
Cuando se trabaja con sobrepresión, o sea cuando todas las
presiones son llevadas o tomadas por un solo ventilador,generalmenté se disminuyen los gastos en cuanto a energía,
al igual que disminuyen las pérdidas con los gases de
salida, pero también esto está relacionado con una
construcción bastante compleja de toda la caldera, 1o que
implica una caldera bastante hermética desde el punto de
2s9
vista de 1os gases,
al medio ambiente.
para evitar la fuga de gases tóxicos
Realizada la descripción de los tipos de conductos (aire-gases ) , de sus equipos y los diferentes sistemas ( tíroequilibrado y con sobrepresión), se estudiaran a
continuación las bases para el cálculo aerodinámico del
condueto.
9. 1. CALCULO AERODINAII'IICO
Se lleva a cabo con el fin principalmente de determinar laresistencia aerodinámica del conducto de aire y gases, y
por último con el fin de escoger los ventiladores de tiroinducido y tiro forzado.
Los datos que se deben tener en cuenta. para el cálculo
aerodinámico se toman del cálculo térmieo de La caldera
para una carga nominal, como por ejemplo, el flujo de gases
de combustión, el flujo de aj-re, temperatura y velocidad
del aire de los productos de la combustión y las
características geométricas de las superficies de
intercambio y de los conductos de gases que están por fuera
de La caldera ( los que van desde la salida de la caldera
hasta la chimenea).
del conducto aire-gases se compone de: las
260
resistencias por fricción de las partes rectas o de los
canales rectos representados como dpTR y de las resistencias
por accesorios relacionadas principalmente con los'cambios
de desviación, cambio en las formas de los canales (dpt);
también se puede incluir en estas pérdidas por accesorios,
las pérdidas que producen al pasar los gases por entre las
tuberías de las superficies de intercambio que generalmente
son pérdidas más. grandes.
La resistencia o pérdidas por fricción se puede calcular
mediante la fórmula:
Las pérdidas por accesorios se
fórmula:
L,P" = (Pn
(e.1)
pueden calcular por 1a
(e.2)
Apw = ,*rn
Cabe anotar que
ecuaciones (9.1)
fórmula:
1a presión dinámica
y (9.2), se determinan
que entra en las
según la siguiente
P^= # (e.3)
por friccióno libros de
Coeficiente de resistencia(encuéntrase en catá1ogosMecániea de Fluidos).
Donde t
26L
L Longitud de la parte del canal a analizar,metros
Coeficiente de resistencia(encuentrase en Catálogos) .
Densidad del aire o gas a
media de acuerdq a laestudie., en Kg/m'.
por accesorios,
una temperaturasección que se
Velocidad del aire, €r m/s, en la mismasección a la cual se refieren loscoeficientes últimamente nombrados.
EI coeficíente de resisteneia por fricción, depende
principalmente de 1a multiplicación de la velocidad por e1
diámetro por el cual pasa eI gas.
Para superficies relativamente lisas, como por ejemplo,
conductos de gases metálicos o de tubos, €1 coeficiente
( t ) se puede determinar con una relación bastante
aproximada:
|.= (9 . 4',)
Donde A:
A4-{w ae
Coeficiente queencaje del aire
depende de la(Véase Tabla
temperatura de13).
Cuando se tienen superficies con demasiada fricción, pot
ejemplo conductos con recubrimi-ento de cemento, ladri11o,
etc., €s necesario introducir un factor de corrección de
tal manera que aumente el valor de t
TABLA 13. Valores delTemperatura
Coeficientede Encaje del
262
A Dependiendo de IaAire.
tr"C0
A 0.019
400 600 800 1000
o.027 0.031 0.034 0.036Fuente: ASME. " Flue and Exhaust Gas Analysis, 1986.
Sin embargo, la principal resistencia aI movimiento de los
gases surge debido a las superficies de intercambio
(economizador, recalentador de aire, recalentador de vapor,
etc.) que están distribuidos en el conducto de gases. Sí
los tubos están distribuidos en forma de corredor, €1
coeficiente de resistencia se determina por medio de la
siguiente fórmula:
200
0.o24
}t = (oZz
Si la distribución no es por el
intercalado, se emplea la fórmula:
Donde C"v (L
(e.s)
corredor sino que es
(=(L(2"+7¡ (e.6)
Coeficientes para resistencia para una
sola fita de tubos de fricción encorredor inteicalado ( todas estas cifrasse püeden ver en libros de Transferenciade Calor o Mecánica de Fluidos ) .
Número de filas de tubos con respectoa la dirección del paso de gases o deaire.
22:
263
EI conducto
intercambio
aerodinámica
chimenea ) .
de gases además
de la caldera.
(filtros, conductos
de las superficies de
tiene una resistencia
de gases externos y 1a
Por el lado de aire además de
precalentador de aíre hay que
resisteneia de los quemadores, de
frío y caliente.
las resistencias de1
tener en cuenta lalos conductos de aire
Cuando se esté haciendo el diseño de la caldera, s€ debe
elegir la temperatura óptima de movimiento de los gases.
La velocidad debe ser mayor entre menor sea el costo de
KI/rI/h de energía en la región de la Planta.
En caso de que las superficies de intercambio sean caras al
igual que los conductos de gases de aire, s€ deben tomar
medidas para disminuir la velocidad en el conducto de
gases, para evitar condiciones de erosión, abrasión o al
contrario que sean simplemente cenizas que se adhieren a
las superficies.
Para la disminución del flujo de energía que se gasta en el
transporte de1 aire y de los gases, gran signifieado tiene
Ia elaboración personal de todos los elementos. Es
neeesario distribuirlos de ta1 manera que las pérdidas por
accesorios sean mínimas.
La
de
Figura 79, ilustra
algunos elementos.
algunas recomendaciones de
264
esquemas
FIGURA 79. RecomendacionesElementos.
de Esquemas de Algunos
En cuanto a 1a densidad del medio de trabajo (aire o gas),
es claro que debido a 1as altas temperaturas, esta
seguramente será menor que la densidad del medio ambiente,
26s
debido a esto surgen fuerzas que tratan de lIevar los gases
hacia arriba a esto se le llama auto tiro.
Para los conductos de gases en los cuales el movimiento de1
flujo está dirigido hacia a.rriba, €l auto tiro posibilita
la ayuda al movimiento del flujo de gases y por edta razón
se disminuye su resistencia aerodinámica.
Para los conductos dg gases con movimiento de flujo hacia
abajo" al contrario del anterior, s€ le debe sumar la
resistencia aerodinámica.
El auto tiro L,hc (en Pascales) a la temperatura del aire
de zO"C en cualquier conducto de aire o gases, s€ puede
determinar por la fórmula:
Alrc = t9.8¡f (1-.2-pl (9 .7',)
273 (e.B)P =Po 213 +v
Donde H Diferencia de altura de la sección acalcular, €[ metros.Densidad del medio que pasa por dentro delcanal, €fl Kg/*3.
Densidad tomada en condiciones normales (a760 mm de mercurio) det aire o de los gasesen Kglm".Temperatura media de los gases o del aire aestudiar.
Po
Lo anterior no es
condiciones normales
266
más que pasar de densidades en
a densidades en condiciones reales.
La sumatoria de resistencias de todo eI conducto de gases
con tiro equilibrado en Pasca1es, desde la salida de lachimenea, S€ puede ealcular por medio de la fórmula:
LH, = h(+L'nt -Ailc
Donde h"T :
^H|
Ahc
Por el lado
determina por
Donde^H'"
Ahc
(e.e)
Vacío a la salida del hogar, normalmente esde 20 Pascales.
Sumatoria de todos los elementos en elconducto de gases de Ia caldera y de losconductos de gases externos hasta lachimenea, €D Pascales.
Sumatoria de los auto tiros del conductosgases incluyendo el tiro de la chimenea,Pascales.
de
en
de aire la resistencia
medio de la fórmula:
AH" = ^HL-aác-
(h(+s.srt]l
Sumatoria de laselementos deIPascales.
aerodinámica se
( e.10 )
resistencias de todos
conducto de aire,losen
Sumatoria de autotirosaire, €[ Pasca1es.
del conductos de
Hr : Diferencia de alturas entre la salida de
267
los gases del hogarentrada del aire aquemadores, en metros.
la caldera y lacaldera por los
de aire en el hogar yde pr.eparación de
de1a
Para calderas que trabajan con sobrepresiones (presiones
positivas) las resistencias de todo conducto de gases y de
aire se sumanr s€ puede calcülar mediante la siguiente
ecuación:
AH = afir+aftB-g .síl ( e. 11)
Después de haber calculado todas las pérdidas de presión en
los conductos, es necesario calcular el caudal tanto de
aire como de gases suministrado por el tiro inducido y el
tiro forzado. Para el ventilador de tiro forzado el caudal
en m'/s se puede calcular por la fórmula:
Q,=FtB"rtVo(o.n+Ad¡ +Au,to.r-Aco) [ (C". t+2'lg) /273] 1. Ot(l}sl /hb( e.12 )
Donde F, Coeficiente de reserva de alimentación.
gh
anL."
ta.f
Coeficiente de exceso
en el dispositivocombustíb1e.
Escape
aire.Temperatura del aireventilador, €fl "C.
de aire desde el precalentador de
frío. que entra en el
268
hb: Presión barométrica del aire, €tr Pascales.
Anr, Infiltración de aire en el hogar.
Aap Infiltración de aire en el dispositivo de
preparación de combustible.
Con todos los. anteriores datos se calcula Ia potencia del
ventilador en Ktü, o sea teniendo ya calculada la altura de
presión del ventilador, €1 rendimiento del ventilador, €1
caudal y la reserva Fz , la cual se puede calcular según
la fórmula de potencia:
.ñf'= (pzQvVv/q')100
Para el tiro inducido,
siguiente fórmula:
(e.13)
también se puede calcular según la
Q""=FrB"",lVf + (c""-1 I v"l "^"riT3
Caudal de gases aspirado.
Flujo de combustible.
Coeficiente de exceso de
1.01(105) ( 9.l-4 )
aire aspirado.
hb
Donde Q*
B
ú""
d,
vas
Volumen teórico de loso productos decombustión completa, €D m'./Kg).
Temperatura de los gases aspirados, en oC.
1a
269
También se puede calcular la potencia de1
la fórmula siguiente:
tiro inducido con
(e.ls)I\[as = (.pz2rsr^r/r¡!") roo
Donde Hr, : Carga de presión completa calculada delaspirador de humo o ventilador de tiroinducido, €D KPa.
Rendimiento de explotación del aspirador de
humo, en %.
n:"
Es necesario dar algunas recomendaciones sobre los tipos de
ventiladores que utiLízan muchas veces cuando las calderas
son relativamente pequeñas r s€ puede prescindir del
ventilador de tiro inducido y se pueden evacuar los gases
simplemente con el auto tiro que origina Ia altura de la
chimenea.
Se pueden util-izar diferentes tipos de ventiladores de una
manera general, por ejemplo, ventiladores eentrífugos, con
paletas cruzadas hacia adelante y radiales con paletas
hacia axrás, también se pueden usar ventiladores axiales.
Últimamente los ventiladores con palecas dobladas hacia
adelante se han dejado de utilízar ya que su rendimiento a
régimen normal no alcanza a aumentar de 65Y" a 7O%, por eso
se están utilizando más las paletas curvadas hacia at1.ás y
los ventiladores axiales, los cuales tienen un rendimiento
cercano del 82% aL 87%.
270
En la mayoría de las veces en los ventiladores, no se puede
decir que trabajan siempre con cargas parciales bajas o con
alta presión. Se deben tomar coeficientes de reserva,
asumir buenos sistemas de regulación para que el ventilador
trabaje relativamente bien en casi todas las cargas.
Cuando se disminuye el flujo de aire o de los gases de
combustión disminuye la resistencia aerodinámica por todo
el trayecto, esto se puede calcular según la ecuación de
relación:
Hz = Ht(Qz/QLl2 ( e.16 )
También disminuye Ia potencia teórica par el transporte de
los gases segrin Ia ecuación:
w, = wt(er/e)3
En estas formulas Ql, H, I,ü, son respectivamente el caudal
(m'/s), 1a presión en Pascales, la potencia en Kilowatios
en el régimen de diseño y QZ, HZ WZ significan 1o mismo pero
a cargas bajas. Para la disminución de la catga, muchas
veces se utiliza una turbina de vapor que generalmente
presenta una regulación bastante buena y uniforme.
La Figura 80, muestra un esquema
y de los gases de combustión
equilibrado.
( e.17 )
circulación del aireun fogón de tiro
de
en
I
Chiñ!¡r¡
271
80.
Vrnlil¡dor dr llroIndúcld¡.--*- _ Tnt¡gorl¡dor dr
Circulación del AireCombustión en un Fogón
Y:ntihdor lc . llmloz¡do
y de los Gases dede Tiro Equilibrado.
FIGURA
272
Sin embargo, el método principal para regular Ia producción
de los ventiladores, tanto de tiro inducido como tiroforzado que tienen mando eléctrico se real-i-za con toberas
o paletas direccionales, las cuales se colocan en el tubo
de entrada del ventilador. Estas no son más que un
conjunto de paletas que están antes del eje de trabajo. A
estas se les puede cambiar su ángulo y de esta manera
aumentar o disminuir el flujo de aire y con ello cambiar
las R.P.M.. Este método generalmente se aconseja para
ventiladores axiales, para ventiladores de tipo centrífugogeneralmente se combina este sistema con motores
asincrónicos de dos velocidades.
10. BASES PARA EL DISEÑO TERITIICO EN CALDERAS
El cálculo térmico de calderas tiene como aplicación: el
cálculo de construcción y el cálculo de rediseño o prueba,
tienen el mismo método de cálculo diferenciándose en sus
objetivos y en las cantidades a determinar.
EI cálculo constructivo tiene como fin principal
determinar: las medidas del hogar, las superficies de
convección que proporcionen un rendimiento asumido de la
caldera, nuevas producciones de vapor con unos parámetros
dados de temperatura del agva de alimentación con un
combustible específico.
Como resultado del cálculo constructivo térmico se logran
las medidas de todas las superficies de calentamiento,
posterS-ormente se hacen los diseños constructivos, s€
determina el número de tubos que conforman la superficie de
medidas correspondientes etc. Para eada superficie de lacaldera es conocida la cantidad de vapor que recibe, Ia
temperatura del medio de trabajo y de los gases a laentrada y la salida de cada superficie.
274
El cálculo de rediseño o de prueba se hace con una caldera
ya existente o proyectada desde e1 punto de vista
reconstructivo, y tiene como fin determinar las fronteras
entre las diferentes superficies de intercambio: para un
combustible específico, para las temperaturas del medio de
,trabajo, del aire y de los productos de combustión. El
cálculo de rediseño se hace cambiando las temperaturas: del
agua de alimentación inicial, La del vapor recalentado o
cambiarle el combustible a la caldera etc.
El cálculo de prueba generalmente se hace con el fin de
determinar características térmicas en la caldera cuando
esta trabaja con eargas intermedias o variables. Con base
aI cálculo de prueba se pueden tomar valores de economía o
rendimiento de la caldera, de su confiabilidad y se pueden
dar recomendaciones para su recoristrucción; también se
reciben datos que pueden servir más adelante para los
cáIculos hidráulicos, aerodinámicos y de resistencia.
El cálculo térmieo constructivo se teaLíza con base a los
datos conocidos según el proyecto se deben incluir los
siguientes datos: el tipo de La caldera ( si es de
circulación natural o circulación directa); su firma o la
marcai La producción de vapor nominal de diseño; los
parámetros de vapor recalentado tanto del vapor inicial
como del vapor de recalentamiento intermedio si 1o hay;
lugar de procedencia y marca del combustible; método de
275
quema del combustible solido, con extracción de cenizas
sólidas o 1íquidas; temperatura del agua de alimentación
que entra a la caldera después del ciclo regenerativo etc.
Además de estos datos pueden necesitarse otras
características como el valor de la purga continua, la
fracción de la circulación de gases y aire de la caldera,
el tramo de la caldera bajo presión o bajo vacío en el
conducto de gases y otros. El orden es común para el
cálculo de calderas con circulación directa y de calderas
con circulación natural.
A1 cálculo de la superficie de calentamiento le anteceden
los cálculos terqotécnicos para un combustible específico,
para esto se deben seguir los siguientes pasos:
Determinar los volúmenes teóricos y reales del aire y de
los productos de eombustión en el hogarr €o los
conductos de gases teniendo en cuenta el exceso de airey los coeficientes de succión de aire en cada región de
acuerdo a la construcción de la caldera.
ReaLizar una tabla
combustión y del
calentamiento.
de entalpías de los productos
aire para las superficies
de
de
Establecer las perdidas térmicas eZ, 93, e4, 95, gó, que
276
son respectivamente las perdidas de calor con los gases
de escape; las pérdidas de calor por combustión química
incompleta; las pérdidas de calor por combustión
mecánica incompleta; las pérdidas de calor por las
paredes y los eonductos del hogar y las pérdidas de
calor con la escoria.
Calcular e1
combustible.
rendimiento de la caldera y el flujo de
Escoger las secciones deI hogar para determinar su
tensión térmica en unidades de Mtrl/mz, con una
temperatura pre-establecida a la salida del hogar se
determina la supe.rficie total de intercambio de las
paredes o pantallas de radiación.
Para calcular eI hogar deben ser conoeidas las medidas de
Ia superficie del recalentador de vapor por radiación y
convección, por eso el cáleulo de esa superficie se hace
con método de prueba para los recalentadores de vapor, para
ambas superficies; luego se determina la cantidad de calor
recibido por radiación directa desde la caldera y además el
calor recibido como resultado del intercambi-o térmico de
las superficies con los gases en las partes intermedias de
estas, de tal manera que el calor que reciben estas
superficies será igual a la cantidad por radiación más Ia
cantidad por convección, luego se determina la temperatura
277
de los produetos de combustión después de ellas.
El calor que queda de los productos de combustión después
de que fueron utilizados en el hogar y en las primeras
superficies de intercambio por radiación, se distribuye
entre las superficies de intercambio por convección ya sea
que calienten agua, vapor o aire.
Para las superficies de intercambio por convección se
cumple el cálculo constructivo:
El calor se distribuye entre aquellas superficies para Ias
cuales son conocidos los parámetros de entrada y de salida
de1 medio de trabajo o sea del vapor o del agrJa, estas
superficies son el recalentador de vapor principal y elrecalentador de vapor intermedio, para estos primeros se
determina la cantidad de calor recibida por el medio de
trabajo y encontrándose luego Ia entalpía y la temperatura
de los gases después de cada superficie.
En las calderas de tipo de domo o de circulación natural,la distribución del calor se hace en el economizador, para
el cual no se dan los parámetros de entrada al domo,
utilizando la ecuación de balance térmico de la caldera de
la eual se obtiene que el calor recibido por eleconomizador es igual:
278
Q"" = Q{lcat - (Qra¿.n + Qr"r.u + Qr.ú + Qr.rr.") (1 - 0.01q'o) (10.1)
Donde Qr. : Calor en eI economizador; Q¡ escalorífico inferior
eI poder
ncai :
Qrad.h :
Qrrr. , :
Qr.rí :
Qr,u., :
94:
Rendimiento de Ta caldera.
Calor recibido por radiación.
Calor recibido por los recalentadores devapor.
Calor recibido por el recalentador intermedio.
Calor recibido por los recalentadores deconvección.
Pérdida térmica por combustión ineompleta,
En esta fdrmula se utiliza la ecuación de balance térmico
en la caldera de la que se deduce la cantidad de calor
recibida por el economizador.
EI calor recibido en eI precalentador de aire esta incluido
en el calor que desprende el hogar y por eso no entr:a
directamente en el balance térmico de las superficies de
intercambio.
EI calor que recibe el precalentador de aire se determina
por la cantidad de calor que obtiene eI aire de los
productos de combustión, los que posteriormente se enfrían
hasta La temperatura de los gases de salida.
279
10.1. CALCULO DE PRUEBA O REDISEÑO DE CALDERAS
Para estos cálculos no se conoce la temperatura de los
gases a la salida de la ealdera y por consiguiente no se
pueden determinar las perdidas e2, por 1o tanto no es
posible determinar al inicio el rendimiento de Ia calderay eI flujo del conbustible. Sin los datos anteriores no es
posible reaLizar eI cálculo del hogar de la caldera y de
las superficies de intercambío por convección, por eso es
necesario suponer valores de temperatura de los gases de
salida y del vapor recalentado, con esto se puede ealculareI rendimiento de la caldera y el flujo de combustible,
asumiendo además la temperatura de1 aire caliente se puede
seguir el cálcuIo del hogar y de todas las demás
superficies.
El objetivo principal del cálculo del hogar es determinar
Ia temperatura real de los productos de combustión a lasalida del mismo, este cá1culo se hace asumiendo una
temperatura que se verifieará posteriormente. Si al hacer
los cálculos se encuentran diferencias se repiten asumiendo
una nueva temperatura de los gases a La salida del hogar.
Las superficies por convección se calculan teniendo 1a
temperatura y la entalpía de los gases a la entrada de lasuperficie y conociendo una de las entalpías del medio de
trabajo ya sea a la entrada o a la salida de la superficie
280
por convección por ejemplo la temperatura y la presión del
vapor a la salida del reealentador de vapor, de esta manera
eonocidos dos de cuatro parámetros a buscar, eI cáIculo de
cada una de las superficies se reaLíza bajo el método de
aproximaciones consecutivas asumiendo con anterioridad el
calor que suministra o que recibe el medio de trabajo, y
comparándolo con el valor que transfieren las superficies
de intercambio; por ejemplo, en el precalentador de aire es
conocida la temperatura de los gases a la entrada de el, Ia
que es igual a la temperatura de los gases a La salida del
economizador, conociendo el calor transmitido en el
precalentador de aire se puede determinat La temperatura de
los gases a la salida de la caldera, calculado este valor
1o compramos con el asumido en el comienzo cálculo.
Todo cálculo se considera rea]-ízado de una manera correcta
si Ia temperatura asumida y La temperatura obtenida de los
cálculos, o sea la temperatura de los gases de salida no se
diferencia en más de 10'C, y si el valor del aire caliente
no se diferencia en más de 40'C; en caso contrario todo el
cálculo se debe repetir para un nuevo valor de temperatura.
La desventaja es que es preciso repetir el cálculo de cada
superficie muchas veees hasCa que haya igualdad en eI
balance térmico o hasta lograr igualdad en e1 calor que
desprenden los gases y el calor que reciben las superficies
de intercambio.
28L
10.2. CATCULO DEL HOGAR
Después de haber obtenido eI flujo de combustible
provisional con eI que trabajara la ealdera se inicia el
cáIculo de Ia transferencia de calor en el hogar.
La transfereneia de ealor a las pantallas de radiación del
hogar se determina principalmente por Ia transferencia de
ealor entre los gases, eü€ se encuentran a altas
temperaturas, y las superficies externas de las tuberías,
generalmente cubiertas por una capa delgada de suciedad.
En los hogares que tienen forma de prisma, en los cuales Ia
llama se dirige hacia arriba, Ta xransferencia de ealor por
convección se puede despreciar ya que Ia velocidad de los
gases sobre las paredes es muy pequeña, además la capa de
suciedad sobre estas hace que la resistencia térmica sea
mayor.
En los hogares con movimiento cíclico de la 1lama,
componente de Ia transferencia de calor por convección
mucho más grande y por eso es necesario considerarla.
La transferencia de calor por radiación se caracteríza por
la diferencia de temperaturas al cuarto grado, siendo esta
muy alta entre las pantallas de radiaeión y los gases de
1a
ES
combustión. El calor suministrado (QsuB), depende de la
282
temperatura de la llama al cuarto grado en grados Kelvin.
Las capas de suciedad de los tubos tienen una aLta
temperatura, las que irradian parte de su calor al volumen
del hogar, denominado calor inverso (Qinr).
El calor recj-bido por el medio de trabajo por radiación es
el resultado de la diferencia entre el calor suministrado
y eI calor inverso. For 1o tanto también será proporcional
a Ia diferencia de temperaturas absolutas al cuatro de la
llama menos la de La capa de suciedad.
Para una gran cantidad de hogares de calderas eI flujo de
calor suministrado desde el núcleo de la 1lama a las
superficies de radiación (Qsur) esta entre 400 y 700 Khlr/m2.
Cuando 1a capa de suciedad es relativamente pequeña,
origina una diferencia de temperaturas AT que es igual a
la temperatura de la capa de suciedad menos la temperatura
de la pared de la tubería, con un valor de 150'C a 350oC,
como se puede apreciar 1a temperatura de la capa de
suciedad es mucho mayor que la temperatura de la pared.
Investigaciones demostraron
radiación entre los gases y
depende de la presión ni de
trabajo en la caldera. Esto
que la intensidad de 1a
las pantallas de radiación no
la temperatura del medio de
permite hacer los cáIculos de
283
transferencia de calor por radiación independientemente de
la presión de trabajo de la caldera.
A Ia relación entre el calor por radiación y el calor
suministrado, calor recibido por las superficies de
radiación, se Ie llama coeficiente de efectividad térmica
de las pantallas de radiación es igual a:
ú =Qr^¿/ qsum ( 10.2 )
Entre mayor sea el valor de este coeficiente, mayor será
efectividad de trabajo de las pantallas de radiación,
decir mayor parte de calor será recibido por ellas.
Las cifras de este coeficiente, tomadas de investigaciones
sobre hogares de calderas r son bastante estables;
dependiendo del tipo de combustible pueden considerarse
así: para combustibles sólidos entre 0.4 y 0.45; para
combustibles líquidos entre 0.5 y 0.55; y 0.65 para gas
nat,ural. Es importante anotar que este coeficiente varia
también con la altura de la cámara de1 hogarr €s mayor en
la zor:a del núcleo de Ia llama y disminuye a medida que se
acerquen los gases a Ia salida del hogar.
Para pantallas de radiación revestidas con aislamiento eI
coeficiente de efectividad esta entre 0.2 y 0.25 y para las
mismas pantallas de radiación pero ya cetradas con una capa
1a
ES
284
de ladrillo el valor ES aproximadamente 0.1.
La dependencia entre
radiación y el calor
del hogar se muestra
el calor recibido
inverso (Qinr) con
en la Figura 8l-.
por las pantallas de
respecto a la altura
HT
GASES
FIGURA 81. Dependencia entre el Calor Recibido porRadiación y el Calor Inverso.
La parte de calor ganada por la superficie de intercambio
de las pantallas de radiación se determina por x, el,t
coeficiente angular de la pantalla. -'i
En Ia Figura 82, se nota que solo una parte del calor
que llega a las pantallas de radiación depende del ángulo s
28s
y de la separación entre tubos, €s decir que cae una parte
entre las pantallas de radiación, choca con eI aislamiento
y se vuelve con un determinado ángulo ü ; o sea que entre
más cercanos estén los tubos unos de otros y entre menor
sea el paso relativo o (distancia entre centros de los
tubos dividida entre eI diámetro), menor será el ángulo
alfa 1o cuar significa que mayor parte del flujo de carores ganado por las superficies de radiación (las pantallas
de radicación).
l-".ltInfluenciaentre TubosPantallas de
!i-
¡I
;tÍ
del Angulo uen el Calor
Radiación.
y Ia Distanciaque Llega a las
FIGURA 82.
286
En la Figura 83, se aprecia 1o anterior. Cuando eI paso
rela.tivo eS normal aproximadamente a 1.1, el coeficiente
angular eS aproximadamente 0.99 y teóricamente cuando están
bien pegados e1 coeficiente es igual a 1.
o.88
- -/77 /./ /,/ 77 / / 7T-/7777
\
l.O ,.1 ,-2 1.3 1.4 1.5 1.8 sld
FIGURA 83. Influencia del Angulo a y la SeparaciónEntre Tubos en el Calor de Radiación.
La relación E es igual a la temperatura de la capa sucia
sobre la temperatura de llama elevada a la cuarta potencia.
EI coeficiente condicional de suciedad de las pantalla de
radiación es:
E = $it-4."1 / Tlt = t- (T".,/ Trr\ 4 ( 10.3 )
T
t.o
x
o.98
o.#
o-g
a.92
o.90
Donde to¡
,0r,,
287
Temperatura de la llama en grados Kelvin.
Temperatura de Ia capa sucia en grados Kelvin.
Dado que la temperatura de suciedad es mayor que cero, este
coeficiente siempre es menor que 1 y será mucho menor entre
mayor sea Ia temperatura de la capa de suciedad, €s decir
entre mayor sea la resistencia térmica.
La cantidad Tott "0r.,
determina el flujo de calor por
radiación QL que llega a Ia tuberÍa, de aquí se concluye
que el coeficiente condieional de suciedad determína Iaparte de radiación utilizada o recibida por eI medio de
trabajo en Ia tubería, entre mayor sea La eapa de suciedad
mayor será Ia temperatura de la misma y menor será parte de
eaLor recibida por el medio de trabajo, en este caso por elagua.
Otra forma para determinar el coeficiente de efectividad
térmica es con el producto entre el coeficiente angular x
y el coeficiente condicional de suciedad.
ü =xE ( 10.4 )
EI coeficiente E "" un poco mayor que eI coeficiente de
efectividad térmica,ya que no considera esa pequeña parte
de calor de radiación que cae en el aislamiento de las
paredes del hogar.
288
Para el cálculo del hogar de
concepto de superficie receptora
calderas se usa elcalor por radiación:
las
de
S, = x Ar^o (10.s)
El área o superficie receptora de calor por radiación, Sr
en R2, no es una pared que tiene Ia temperatura, el grado
de suciedad y el coeficiente de radiación iguales a los de
las pantallas de radiación, esta es la parte efectiva de
recepción de calor de las pantallas de radiación.
11. SISTEI{AS DE REGULACION EN CALDERAS
La caldera como esquema de control constituye
dinámico con muchas señales de entrada
interrelacionadas .
un
v
sistema
salida
Sin embar.go, s€ pueden establecer algunos canales
importantes tendientes a mantener estables las variables a
regular. Esos principales canales pueden ser: flujo masicoa.de agua (rúagüa), flujo masico de inyección, nivel en el domo
(H) y temperatura de vapor recalentado, flujo masico de
combustib,le, flujo de gases, flujo de aire' flujo de purga,
tiro, y otras (Véase Figura 84).
Las acciones reguladoras de un canal (línea llena) es la
principal forma de estabj-Lízar la variable a regular y las
otras acciones (Iínea cortada) se consideran en relación
con las anteriores con excitaciones. Las 1íneas de
excitación influyen de una manera mucho menor.
En términos generales puede decirse que en todo mando de
combustión, el vapor, €1 agua, €1 combustible, el aire y
iiiñ¡¡¿ Áutonoma de occidcntc
SLCCION BIBLIOIE.CA
290
los humos deberán regularse de acuerdo con la demanda de
éarga y ser debidamente coordinados. El punto más
i.nteresante es que la presión de vapor deberá mantenerse
constante en todas las fluctuaciones de carga. También es
de suma importancia económica el que se suministre 1a
cantidad de aire adecuada por unidad de combustible quemado
en el hogar. Las restantes graduaciones son más bien un
refinamiento de la regulación.
ACCION REGULADORA UANABLE A RECULAN
Flujo de Gases ----¡ liro
Fluio de Aire .+Oxígeno
Flujo de Combustibte +Flujo de Vapor
,-'Fluio de vapor (Domo) é-i '::^":?:.vaPor'- - ----' 'o- .. Recalgntado
\\\Flilo de Inqcción tl, ''
,, Temperatura Vaporde Agua Fría r r--F Recalentado
1\ /t \z
Ti¡o z--i-t Fluio de Ai¡e y Gases
,, \\Flujo de Agua de ,' t,
l¡ ñfirrel en el Domo t+Alimentación
: (superior)
Fluio de Purga c,^oncentatción de saleepudza¡ en el Agw
PrincipalesVariables.
FIGURA 84. Canales de Regulación de
29L
11.1. REGULACION DE tA PRESION DE VAPOR
Puesto que la presión de vapor ha de mantenerse constante,
muchos de los reguladores de combustión comercialmente
usados , se basan en las variaciones de Ia presión o flujo
de vapor. Es evidente que para una sección dada de
tubería, uo aumento del consumo de vapor provocará mayor
caída de presión debido a los rozamientos, de manera que la
presión del vapor és, después de todo, la principal
variable.
Para un trayecto dado de tubería o parte de la propia
caldera, por ejenplo, €1 recalentador desde su acometida
de vapor saturado en el cuerpo de la caldera hasta la
salida, los datos experimentales demuestran que la caída de
presión varía proporcionalmente en razór^ directa con eI
cuadrado del flujo o gasto de vapor. Por esta razón, es de
suma importancia la situación del punto testigo de Ia
regulación, si se sigue la teoría del mantenimiento de lapresión constante. Se acostumbra a tomar un punto del
colector principal que actúa como depósito o "domo" de
vapor.
IL.2. REGUTACION DEL COT{BUSTIBLE
La regulación de
hogar según 1a
Ia cantidad
demanda de
de combustible suministrado alvapor, nunca podrá ser tan
292
exactamente medida como si fuera un fluido, porque e1
combustible sólido se introduce en muy diversos tamaños.
En general, cuanto más pequeñas son las partículas de
eombustible, tanto mejor es la regulación. Desde este
punto de vista, €1 gas y el aceite son los combustible
ideales, porque pueden medirse con bastante presión con un
simple equipo de válvulas. Luego siguen las instalaciones
centrales de polvo de carbón que efectúan la alimentación
de carbón molido a un tamaño prácticamente constante.
La instalación para polvo de carbón con molienda individual
admite variaciones en la finura resultante de la carga del
molino triturador y no €s, por tanto, tan exacta en la
nedida del combustible. La regulación del carbón
suministrado a un hogar de parrilla automática es muy
grosera en comparación con las anteriores, puesto que el
tamaño del carbón varÍa desde los trozos más pequeños hasta
los terrones más gruesos con dimensiones máximas de 2 a 5
centímetros.
11.3. REGUI.ACION DEL AIRE DE COMBUSTION
La medición de1 gasto del aire se obtiene prontamente
mediante la caída de presión en una parte dada del conducto
alimentador de aire o determinando la variación en la caída
de presión a través de una parte elegida de1 paso de los
293
gastos del hogar. Esta última varía como La raíz cuadrada
de la diferencia de las presiones entre los dos puntos de
medíción, y cierto número de fabricantes de reguladores
usan esta diferencia de presiones para la regulación de Ia
corriente de aire correcta que corresponde a una
determinada admisión de combustible.
La cantidad de ácido carbónico presente en los humos es
también función del exceso sobre el volumen teórico de airepara la combustién suministrado al hogar, y hay algunos
constructores que usan el porcentaje de CO, como referencia
para los reguladores. En hogares a presión de calderas con
ciclón que queman combustible sólido, €1 hogar se halla
sometido a presi.ón. Solo se emplea un ventilador, un
soplador y eI control de volumen se mantiene mediante
registros simplificando el sistema de control. El proceso
de combustión es más estable.
11.4. I{ETODOS Y ESQUEI.IAS DE REGULACION DE CARGA Y PRESION
DE VAPOR
Los esquemas dependen mucho del esquema de unión entre la
caldera y el' consumidor (turbina).
11.4.1. Régimen de Base. Se mantiene la misma carga de
vapor independientemente de la carga eléctrica o térmiea
del consumidor.
294
IL.4.2. Régimen de Regulación. Recibe la caldera los
cambios de carga eléctrica y térmica. En este caso lacaldera puede estar unida solo a una turbina o unida a una
tubería común (y de allí) que sirva de enlace entre varias
calderas y una turbina. La Figura 85, ilustra un esquema
bloque caldera-turbina.
--rET
RELACION DE PARTEA:
l. Rcguhdor dc flulo dc combultlblc
2. Rcgul¡dor de velodd.d dc la türblna
3. Válvulas dc regulaclón (cntrarla de y¡por en ta turblna)
4. Rogulador dc preslón
5. Slncronlz.dor de l¡ turbln¡
FIGURA 85. Bloque Caldera-Turbina.
295
11.5. REGULACION DEL VACIO (DEPRESION) EN EL HOGAR
La regulación generalmente se hace combinando Ia cantidad
de gases de salida succionados por los tiros inducidos. Se
actúa sobre las Bompers (compuertas de estrangulación,
paletas o álabes directrices ) o regulando la velocidad de
rotación (R.P.M.) (Véase Figura 86).
3
ü",,"
RELACIO}I DE PARTES:
l. Srllal do t.rc¡ 2. Rogul¡rlor do .lro
FIGURA 86. Regulación de Vacío.
¡1. Rcgül¡rlor dc ndo
REGULACION DE AGUA DE
(NrvEL DEL DOMO)
11.6. CONTROL DEL
ALII{ENTACION
SISTE}IA DE
A LA CALDERA
El parámetro que
agua que entra y
muestra ella cantidad
balance entre La
de vapor que sale
cantidad de
es el nivel
296
en el domo. El nivel debe mantenerse constante al cambiar
la car5a porque el máximo de desviación permitida es
t 100 mm. Si el nivel es muy bajo se puede dañar la
circulación natural, s€ interrumpe la alimentación y por
consiguiente el enfriamiento de los tubos ascendentes de la
caldera (pantallas de radiación) y en el peor de los casos
rompi-miento (Véase Figura B7).
NELACIO}I DE PARTEA:
H. ilodldol do nlyol
l. Domo
2. Economlzadol
3. Regulador
Esquema deRegulación deCaldera.
4. Válvule do rcgutaclón
5,0. iledldorcs dc flulo.
Control del Sistema deAgua de Alimentación a Ia
FIGURA 87.
297
Si el nivel es muy alto, los dispositivos espeeiales de
separación de vapor de gotas que se encuentran en eI domo
pierden eficiencia y puede pasar agua, sales a los
recalentadores de vapor y a la turbina.
En el instante en que se presente una diferencia de (*rroo, -magua, el nivel (H) baiará o subirá según la condición
anterior.
Es importante mantener el nivel en el domo para evitaraumentos de presión interna en é1, aunque é1 tiene unos
controles de nivel. Si hay exceso pueden dirigirse gotas
de agua a La turbina afectándola, también puede presentarse
choque térmico en las tuberías de vapor.
eI nivel está muy bajo implica que la caldera esta baja
agua.
I.a regulación del gasto de agua deberá ir íntimamente unida
a la del flujo de vapor, especialmente por tenerse que
mantener un nivel más o menos constante en Ia mayoría de
las calderas. Esto se consigue mediante el uso de
reguladores de alimentación en la tubería de agua,
precedidos a menudo de una válvula de exceso de presión.
Esta váIvula mantiene cierta diferencia de presión y crea
una corriente a través de la válvula reguladora para dar lacaracterística de gasto deseada a la válvula de1 regulador;
Si
de
298
tal exceso
la presión
va
de
desde 1.5 hasta 1.6 atmósferas y depende de
vapor en La caldera.
En La Figura 88, se muestra un esquema de regulación del
vapor recalentado.
RELACION DE PARTES:
l. Domo
2. Llnea do condcnrrdo
3. .Condonsador
FIGURA 88. Esquema
4. Condcnsado par¡ la atomlzadón 7. Roguladol
5. Enfrlador do vapor
6. Economlzadol
de Regulación del Vapor Recalentado.
L2. ARRANQUE Y PARADA DE CALDERAS
Las calderas pueden encontrarse en diferentes estados de
operación:
En funcionamiento: dando el flujo de vapor necesario de
acuerdo a parámetros establecidos.
En reserva caliente: si el tiempo de permanencia en
reserva es solamente de unas pocas horas (generalmente
nocturnas ) .
reserva fría: si el tiempo de permanencia en reserva
solamente de unos días.
En conservación: cuando está parada de una a dos semanas
y más. En este caso se toman medidas de prevención para
evitar la corrosión de las superficies.
Además la calderas puede estar en mantenimiento preventivo
uno o dos veces a1 año de 4 a LZ díasr éÍl mantenimiento
correctivo una vez cada 2 a 3 años con una duración de 20
En
es
Univer:'i''1. /rutónoma de Cccidentc
S['..)',1ÜN Bl BLIÚ ¡ iUA
300
a 40 días.
Lz.L. ARRANQUE DE rA CALDERA
Se considera el proceso de más complejidad y
responsabilidad y su carácter depende de la estructura de
la caldera, de su estado de operación (en frío, €D
caliente, etc. ), a la capacidad de su arranque y otros
factores.
Cada caldera debe tener su manual de operación donde se
encuentren los pasos a seguir, gráficas de calentamiento de
superficies con respecto al tiempo, cartas de regímenes
especiales donde se muestran todos los parámetros de
acuerdo a la carga, reajustes y recomendaciones después de
pruebas, desviación admitida de los parámetros de
operacién, graduación de negulación, etc.
A continuación solo se darán pasos generales que deben
seguirse para una buena operación de una caldera, ya que
datos específicos"se encuentran en manuales de operación de
cada caldera.
L2.L .L . Precauciones Antes del Arranque. Estas
indicaciones normalmente pueden seguirse a1 mismo tiempo
que se reaLiza la inspección general de la unidad, sin
embargo, por tratarse de un punto tan vital como la
301
seguridad, se prefiere dar una lista separada de ítemes,
que deben verificarse. Aquí se encamina al primer arranque
en su instalación definítiva pero se aplica en general para
cualquier arranque después de una parada prolongada.
L2.L. 1. 1. Generalidades.
1. Seguridad, verifique si existe una póliza de seguros
que cubra los riesgos de la puesta en marcha. Tanto si
esta es por cuenta del cliente como si 1o es por Iacompañía, asegúre,se de que esté vigente.
2. Verifique Ia existencia de 'extinguidores en las
cercanías del área de la caldera. De acuerdo con eI
tamaño de la instalación deberá existir varias
unidades. Estas deben ser preferiblemente de tipoespuma.
3. Recorrer toda la instalación, plataformas y
escaleras para comprobar que no hay obstáculos
peligrosos en caso de emergencia
4 - Asegurarse de que la iluminación de todas las áreas
importantes es adecuada y que esté en condiciones
de funcíonamiento.
5. Comprobar que se haya limitado el acceso aI área de
302
todo el personal
sistema de seguridad
no autorizad,o
adecuado.
y que existe
6. Comprobar que no existen depósitos de materiales
inflamables en la cercanía de la caldera.
I2.L.L.2. Sistema de Alimentación de Agua. Antes del
arranque se debe comprobar la presencia de aglJa en la
caldera.
Verificar e1 nivel de agua en el desaireador en el
tanque de condensado y abrir las válvulas de la línea
de este a la bomba y a la caldera.
Comprobar con los grifos de1 nivel visible en la
columna de control de nivel que sea correcto, drenar
la columna y observar La restauraeión del nivel.
Verifique el nivel de agua en el domo; de acuerdo al
medidor del nivel debe situarse en su posición
inferior, ya que al calentarse y especialmente al
eomenzar eI proceso de evaporación, €1 volumen. de agua
aumenta y puede neeesitarse incluso su drenaje. A
continuación eI arranque se hace como regla en
combustibles móviles, maniobrables, como eI fuel oil y
el gasr poniendo atención a un calentamiento uniforme
por todo 1o ancho del hogar.
1.
2.
3.
303
Antes de encender la llama se lleva a cabo Ia ventilaciónde los conductos de gases de combustión, del hogar, para locual se coloca la caldera a baja depresión de 10 a L2
minutos, yá sea por acción de la chimenea o por el tiroinducido.
El proceso de arranque se lleva en este orden: después de
encender el tiro inducido o de abrir eI tiro de lachimenea, s€ envía el aire (tiro forzado) formando en laparte superior del hogar una pequeña depresión ( 20 a 100
Pa), y solamente después de esto se bombea el combustible
y se comienza a quemar.
Por otra parte es necesario tomar medidas para .sacar el_
aire del domo, de los suDerheater y tuberías de vapor para
1o cual las trampas de aire se mantienen abiertas hasta que
surja una presión de 0.2 MPa a 0.4 MPa. Esto se hace ya
que eI aire cayendo junto con las primeras porciones de
vapor a la turbina puede bajar el vacío en el condensador.
A1 comenzar a tomar catga, el agua en el economízadot va a
calentarse y gradualmente a evaporarse para no dejar tubos
sin enfriamiento. En argunas calderas se tienen Iíneas de
tubería que unen el domo con el economizador. También en
eI arranque puede quedarse sin enfriamiento el superheater
por eso el drenaje en los corectores de sarida del mismo
(superheater) deben mantenerse abierto hasta el momento en
304
que ya se vaya a suministrar vapor a Ia turbina o al tubo
común de vapor. El vapor que se ha drenado puede ser
enviado a tanques para su condensado.
El superheater intermedio generalmente no necesita esta
clase de precáuciones ( recalentamiento de los tubos ) ' ya
que se encuentra en zo¡as no muy altas de temperatura
(menores a 800"C).
El tiempo de arranque de la caldera desde el momento de
encendido de los quemadores hasta la conexión con carga
debe establecerse experimentalmente midiendo los
desplazamientos de los detalles de Eran espesor. De esta
manera el final del proceso de arranque debe coincidir con
la fi¡aLízación del proceso de dilatación de estos
detalles. Generalmente el tiempo de arranque demora entre
0.5 a 4 horas, dependíendo del estado térmico en que se
encuentre, de la potencia y de los parámetros de 1a
caldera.
La velocidad con que se toma la carga está limitada por los
esfuerzos térmicos admisibles y es igual a 1.5 a 2'C/min de
vapor saturado o 0.3 MPa (minuto por presión). La conexión
de la caldera a la tubería común de vapor (Véase Figura
89.a), se hace después de un previo calentamiento y drenaje
de Ia misma.
305
FIGURA 89.
a)
Tubería Común: a) De
b)
Vapor b) De Bloque.
Después de hacer Ia conexión gradualmente se aumenta la' carga exigida por los consumidores.
EI arranque de1 esquema de un esquema en bloque, Figura
89.b, a diferencia del esquema de la Figura 89.a, exige
operaciones conjuntas en la caldera, tuberías de vapor y
turbina. El régimen más económico es el arranque con eIaumento gradual de los parámetros del vapor (arranque con
parámetros graduables). Por ejemplo, €1 arranque de una
caldera, 200 MI^I, la presión del vapor en el domo se aumenta
306
de 0.3 MPa en 100 a 120 minutos a L MPa en 30 a 50 minutos.
EI enfriamiento de los superheater y el calentamiento de
1as tuberías de vapor se hace hasta 0.1 a 0.2 MPa por
drenaje, y después por medio de un equipo de enfríamiento
y reducción para posteriormente enviarse al condensador
(Véase ,Figura 90).
l. Equlpo dc onfilamlcnto y roducdón de preelón
2. Válvula prlndp¡l d6 Yapol
3. 8üpcrhoatc¡ Intafmodlo
FIGURA 90.
A1 1legar
( 1-60"C a
el vapor a
180') y .una
una temperatura de
presíón de 0.6 MPa
recalentamiento
a 1.0 MPa, los
Esquema de Caldera con EquiPoEnfriamiento y Reducción de Presión.
de
RELACIOI{ DE PARTES:
307
parámetros de diseño son 560'C y 13 MPa se reaLíza elprimer volteo a la turbina hasta 500 R.P.M. a 600 R.P.M.
En general hay que tener en cuenta ciertas dificultades ya
que no todos los equipos se enfrían a la misma velocidad,
primero se enfría La caldera, después las tuberías de vapor
y por último la turbina.
L2.L.2. Falla en el Arranque. Los factores más comunes
están relacionados con fallas de1 ventilador y quemadores,
encendido y la llama.
Las soluciones deberán aparecer en el manual para cada
caldera.
I2.2. PARADA DE LA CALDERA
La descarga puede ser diferente dependiendo del tiempo que
vaya a estar parada. Las paradas más comunes son las
nocturnas, desde el punto de vista de economía del
combustible se debe tratar de mantener su estado térmico,para esto se debe desconectar gradualmente eI tiro de lachimenea. El ritmo de descarga está dado por Ia velocidad
de enfriamiento que no debe ser mayor de 1.5 a 2 "C/mín.
Al dejar de suministrar combustible a los quemadores
deja de suministrar agua de alimentación. Después
se
de
308
apagados los quemadores, los ventiladores ( tiro inducido y
tiro forzado) siguen trabajando de 10 a 12 minutos para La
ventilación del hogar de mezclas explosivas. La presión se
baja gradualmente y se envía al condensador.
12.2.I. Preparación para una Parada Larga. Muc.has
calderas que se emplea¡ para calefacción doméstiea y para
cargas que varían según las estaciones del año o que tienen
un estado auxiliar frecuentemente experimentan períodos
largos de parada. Hay que tener cuidado durante estos
períodos para evitar corrosión o deterioro de 1as
superficies del lado del agua o del lado del fogueo.
Tantas variables pueden existir q..tt,i .1" se pueden imponer
reglas específicas . ilelv dij-s TnciüsÉ"66',*tnracenaje, eI uno
sé¿o y el otro mojado. El técnico en aguas o compañí4...de
tratamiento de aguas puede "sugerir el modo preferido para
circunstancias tóeales.
El almacenaje :Sé'prefiere seco cuan'cio no se'va a usar
caldera por mueho' tiempo o cuando existe peligro
témperaturas'f,r'igoríficas. I
Según este" método hay que secar la caldera por completo
púesto que' Ia; presencia de humedad aún en cantidades
pequeñd5'? causará icoirosfdn.l
1a
de
Las
ser
309
superfícies del lado del agua y del hogar tienen que
limpiadas de toda incrustación, depósitos, ho11ín, etc.
El procedimiento para eliminar la humedad consiste en
colocar substancias que la absorban, como eI óxido de cal
(dos libras p-or cada tres pies cúbicos de volumen) o
silicagela (cinco libras por cada 30 pies cúbicos de
volumen) en cajones dentro de la caldera. Se pueden cubrirlas superficies del hogar con substancias anti-corrosivas
o con grasa. El refractario debe ser cepillado y cubiertocon una capa protectora. En cuanto a las aberturas a laeámara de presión tanto las aberturas para la mano como
para el cuerpo hay que cerrarlas apretadamente, como se
cierran las válvulas de vapor y del agua de
abastecimj-ento. El registro de aire y el respiradero deben
ser cerrados para evitar que el aire llegue a las
superficies de fogueo.
Se debe hacer una inspección periódicamente y renovar las
substancias para Ia absorción de la humedad.
EI almacenaje mojado se emplea cuando la caldera queda
preparada para neeesidades. imprevistas o cuando el otro
tipo de almacenaje sea inconveniente. Como anteriormente
se dicer €s de suma importancia tener cuidado con las
superficies metá1icas. Aunque recomendaciones específicas
son imposibles, si se sugiere que se desagüe la caldera, se
310
limpie el interior y se llene de nuevo con agua tratada
hasta que derfame'ui"r; poquito. Si los procesos para sacar
el aire de1 agua nb,' son disponibles, debe prenderse el
fogueo para hacer hervirel agua por un poco tiempo.
Es aconsejab;l'e: '; que éI consultor en aguas sugiera
substancias químfcas adicionales para reducir la corrosión
al grado mínimo. La presión interna del agua debe
mantenerse a un valor sobre el de Ia atmósfera. y a menudo
se emplea nitrógeno para este fin. También sigue siendo
preciso limpiar enteramente las superficies del fogueo y
dar una capa protectora +L r'.eF.rae(ag,ir¡*
aa
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