proyecto final de caldera
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Universidad Autnoma de Nayarit
Balance de energa en
la caldera pirotubular
de ACBI
Aguilar C. Teresa de J./ Barrera M. Karla M.
Maldonado A. Luz M. del R./ Alatorre A. Alexis G
Galvn L. Fernando /Rodrguez D. Arn
Sandoval R. Jos M.
20/06/2014
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Contenido
CAPTULO 1 . QUE SON LAS CALDERAS? .................................................................................. 4
ANTECEDENTES HISTORICOS DE LAS CALDERAS .................................................................. 5
CAPTULO 2 . ELEMENTOS, TERMINOS Y COMPONENTES DE UNA CALDERA ...................... 7
CAPTULO 3 . CLASIFICACION DE LAS CALDERAS .................................................................... 9
Caldera de agua caliente: ..................................................................................................... 9
Caldera de agua sobrecalentada: ....................................................................................... 9
Calderas de nivel definido: ................................................................................................... 9
Calderas sin nivel definido: .................................................................................................. 9
Calderas automticas: ........................................................................................................... 9
Calderas manuales: ................................................................................................................ 9
Caldera de vapor: ................................................................................................................... 9
CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS SEGN SU USO ............................................................ 10
Segn la presin de trabajo: .............................................................................................. 10
Segn su capacidad: ............................................................................................................ 10
Segn el material de construccin: .................................................................................. 10
Segn el tamao: .................................................................................................................. 10
Segn el contenido de los tubos o diseo: .................................................................... 11
Segn la forma y posicin de los tubos: ......................................................................... 12
Segn la fuente de energa: ............................................................................................... 13
Segn la clase de combustible: ........................................................................................ 13
Segn el f luido util izado: .................................................................................................... 13
Segn el sistema de circulacin: ...................................................................................... 13
Segn la posicin del hogar: ............................................................................................. 13
Segn el t ipo de hogar: ....................................................................................................... 13
Segn su forma general: ..................................................................................................... 13
Segn el nombre o marca registrada del fabricante: ................................................... 13
Segn el t iro de los gases: ................................................................................................. 14
Segn el modo de gobernar la operacin: ..................................................................... 14
Segn propiedades especiales: ........................................................................................ 14
Segn su volumen: ............................................................................................................... 14
CAPTULO 4 . PARTES PRINCIPALES QUE COMPONEN UNA CALDERA. .............................. 15
EN ESTE CAPTULO EXPLICAREMOS SOLO PARTES GENERALES RELEVANTES PROPIAS DEL DISEO DE LAS
CALDERAS. DEBIDO A QUE CADA CALDERA DISPONE DE DIFERENTES ELEMENTOS, DEPENDIENDO DEL TIPO,
DE PARTES Y CARACTERSTICAS, ES MUY DIFCIL ATRIBUIR A TODAS ELLAS UN DETERMINADO
COMPONENTE. EN RAZN DE LO ANTERIOR SE ANALIZARN LAS PARTES PRINCIPALES DE LAS CALDERAS
EN FORMA GENERAL, ESPECIFICANDO EN CADA CASO EL TIPO DE CALDERA QUE DISPONE DE DICHO
ELEMENTO. PARA TAL ANLISIS USAREMOS EL ESQUEMA DE LA CALDERA CILNDRICA SENCILLA MOSTRADA
EN LA FIGURA 4.1 ............................................................................................................................. 15
Hogar o fogn: ....................................................................................................................... 15
Emparril lado: .......................................................................................................................... 16
HORIZONTALES ...................................................................................................................... 17
INCLINADAS ............................................................................................................................ 17
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ESCALONADAS ....................................................................................................................... 17
Cenicero: ................................................................................................................................. 17
Puerta del cenicero: ............................................................................................................. 17
Altar: ......................................................................................................................................... 17
IMPEDIR QUE AL AVIVAR, CARGAR O ATIZAR LOS FUEGOS TIREN PARTCULAS DE
COMBUSTIBLES O ESCORIA AL PRIMER TIRO DE LOS GASES. ............................................ 17
EL ALTAR FORMA TAMBIN EL CIERRE INTERIOR DEL CENICERO. ............................. 17
IMPRIMIR A LA CORRIENTE DE AIRE DE LA COMBUSTIN UNA DISTRIBUCIN LO
MS UNIFORME POSIBLE Y UNA DIRECCIN ASCENSIONAL VERTICAL EN TODO EL
LARGO Y ANCHO DE LAS PARRILLAS. ....................................................................................... 17
RESTRINGIR LA SECCIN DE SALIDA DE LOS GASES CALIENTES AUMENTANDO SU
VELOCIDAD, LO CUAL FACILITA SU MEZCLA Y CONTACTO NTIMO CON EL AIRE,
HACIENDO AS QUE LA COMBUSTIN SEA MS COMPLETA. ................................................ 17
Conductos de humos: .......................................................................................................... 17
Caja de humo: ........................................................................................................................ 17
Chimenea: ............................................................................................................................... 18
Tapas de registro o puertas de inspeccin: ................................................................... 18
-Puertas de hombres: .......................................................................................................... 18
-Tapas de registro: ............................................................................................................... 18
Puertas de explosin: .......................................................................................................... 18
Cmara de agua: ................................................................................................................... 18
Cmara de vapor: ................................................................................................................. 18
Cmara de alimentacin de agua: .................................................................................... 18
CAPTULO 5 . NUEVAS GENERACIONES DE CALDERAS ......................................................... 19
CALDERAS DE CONDENSACIN............................................................................................... 19
Rendimiento: ............................................................................................................................. 20
CALDERAS DE BIOMASA ............................................................................................................ 22
Combustible para calderas de biomasa: ......................................................................... 23
CAPTULO 6 . CALDERAS PIROTUBULARES .............................................................................. 25
FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA ........................................................................................ 27
Circuito de agua: ....................................................................................................................... 27
Circuito de Humos: .................................................................................................................... 27
SELECCIN DEL TIPO DE CALDERA: ....................................................................................... 28
Reduccin de las emisiones de NOx; ........................................................................................ 28
Prdidas por radiacin y conveccin:........................................................................................ 30
COMPONENTES FUNDAMENTALES: ........................................................................................ 30
PROBLEMAS BSICOS PLANTEADOS EN EL INTERIOR DE LAS CALDERAS DE VAPOR .. 31
Incrustaciones: ...................................................................................................................... 32
Corrosiones: ........................................................................................................................... 33
Arrastres: ................................................................................................................................ 35
Depsitos: ............................................................................................................................... 36
CAPTULO 7. CALDERA PIROTUBULAR DEL REA DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERAS
DE LA UAN ....................................................................................................................................... 37
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REPORTE DE FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA................................................................. 39
BALANCE DE MASA Y ENERGA DE LA CALDERA .................................................................... 40
Balance de Materia de la Zona de Combustin ........................................................................ 41
Balance de Energa de la Zona de Combustin ....................................................................... 44
ANALISIS DE LOS GRADOS DE LIBERTAD ................................................................................ 47
Clculo de la Temperatura a la entrada de los gases de combustin ...................................... 48
Clculo de la entalpa de los gases de combustin a la entrada. ............................................. 51
Clculo de Q .............................................................................................................................. 51
Clculo de la entalpa a la salida de los gases de combustin ................................................. 51
CONCLUSIN............................................................................................................................... 53
BIBLIOGRAFA................................................................................................................................. 54
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CAPTULO 1 . QUE SON LAS CALDERAS?
Una caldera puede describirse como un generador de vapor o como la
combinacin de equipos para producir o recuperar calor, junto con aparatos para
transferir el calor disponible a un fluido. Las calderas se componen de un
compartimiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se
convierte en vapor.
Las hay desde pequeas instalaciones locales para la produccin de vapor para la
coccin de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos spticos de
instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y
presin, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la alimentacin
de turbinas de generacin de electricidad, y otros procesos industriales donde se
requiere vapor en grandes cantidades, a altsimas temperaturas y presiones.
La caldera de vapor ms elemental es la conocida como olla a presin, tan comn
en nuestros hogares.
En esencia una caldera es un recipiente cerrado lleno parcialmente de agua a la
que se le aplica calor procedente de alguna fuente tal como un combustible,
electricidad etc., para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores estn
confinados a un espacio cerrado, se incrementar la presin interior y con ello la
temperatura de ebullicin del agua pudindose alcanzar finalmente muy elevados
valores de presin y temperatura. Estos vapores se concentran en la parte
superior del recipiente inicialmente vaco conocido como domo, de donde se
extrae va conductos para ser utilizado en el proceso de cuestin.
Figura 1-1 Componentes de una caldera
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ANTECEDENTES HISTORICOS DE LAS CALDERAS
La primera mencin de la idea de utilizar vapor para obtener energa aparece en la
pneumtica, del inventor y matemtico griego Hern de Alejandra, en el siglo I.
All describi su eolpila, una turbina de vapor que consista en una caldera
conectada mediante dos tubos a los polos de una esfera hueca que poda girar
libremente. La esfera estaba equipada con dos boquillas biseladas por donde sala
vapor que produca la rotacin de la esfera.
El inventor escocs James Watt mejor la mquina de Newcomen e introdujo el
primer avance significativo de la caldera, el recipiente esfrico o cilndrico que se
calentaba por abajo con una hoguera. Observ que se podra utilizar el vapor
como una fuerza econmica que remplazara la fuerza animal y manual, se
empez a desarrollar la fabricacin de calderas, hasta llegar a las que actualmente
tienen mayor uso en las distintas industrias. Las primeras calderas tuvieron el
inconveniente de que los gases calientes estaban en contacto solamente con su
base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del combustible. Debido a
esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la superficie de
calefaccin. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican
en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares, si por los
tubos circula agua. Hasta principios del siglo XIX se us la caldera para teir ropas,
producir vapor para la limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin cre una pequea
caldera llamada marmita en 1769. Se us vapor para mover la primera mquina
homnima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo, ya que utilizaba vapor
hmedo (de baja temperatura) y al calentarse, sta dejaba de producir trabajo til.
Luego de otras experiencias, James Watt complet en 1776 una mquina de
vapor de funcionamiento continuo, que us en su propia fbrica, ya que era un
industrial ingls muy conocido. La caldera de Watt, construida en 1785, consista
en un armazn horizontal cubierto de ladrillo con conductos para dirigir los gases
calientes de la combustin sobre la caldera. Watt, uno de los primeros ingenieros
que aprovech las propiedades termodinmicas del vapor de agua, utiliz la
vlvula de seguridad de palanca, manmetros para medir la presin y grifos para
controlar el flujo de agua y vapor en sus calderas.
El avance de las industrias ha utilizado estas calderas de manera significativa para
los procesos de transferencia de calor cuyo objetivo es generar vapor mediante
una combustin hecha en el horno.
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Inicialmente fue empleada como mquina para accionar bombas de agua, de
cilindros verticales; fue la impulsora de la revolucin industrial, la cual comenz en
ese siglo y contina en los posteriores. Mquinas de vapor alternativas de variada
construccin han sido usadas durante muchos aos, como agente motor, pero han
ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas
est la poca velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de
potencia; necesidad de un mayor espacio para su instalacin e inadaptabilidad
para usar vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de caldera, se han construido para traccin,
utilizadas en locomotoras para trenes, tanto de carga como de pasajeros. Hay una
caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar
carbn o lignito. El humo, es decir, los gases de combustin caliente pasan por los
tubos, cediendo su calor al agua que los rodea. Para medir la potencia de la
caldera, y como dato anecdtico, Watt recurri a medir la potencia promedio de
muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg.,
valor que denomin Horse Power, potencia de un caballo. Posteriormente, al
transferirlo al sistema mtrico de unidades, daba algo ms de 76 kgm/seg. La
Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pars, resolvi redondear ese valor a
75 ms fcil de simplificar, llamndolo Caballo Vapor en homenaje a Watt.
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CAPTULO 2 . ELEMENTOS, TERMINOS Y COMPONENTES DE
UNA CALDERA
Agua de alimentacin: es el agua de entrada que alimenta el sistema,
generalmente agua de pozo o agua de red con algn tratamiento qumico como la
desmineralizacin.
Agua de condensado: es el agua que proviene del estanque condensador y
que representa la calidad del vapor.
Vapor seco o sobresaturado: Vapor de ptimas condiciones.
Vapor hmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de un
agua de alcalinidad elevada.
Condensador: sistema que permite condensar el vapor.
Estanque de acumulacin: es el estanque de acumulacin y distribucin de
vapor.
Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmsfera.
Purga de fondo: evacuacin de lodos y concentrado del fondo de la caldera.
Purga de superficie: evacuacin de slidos disueltos desde el nivel de agua
de la caldera.
Fogn u hogar: alma de combustin del sistema, para buscar una continua
mejora de los recipientes y circuitos establecidos por la caldera.
Combustible: material que produce energa calrica al quemarse.
Agua de calderas: agua de circuito interior de la caldera, cuyas caractersticas
dependen de los ciclos y del agua de entrada.
Ciclos de concentracin: nmero de veces que se concentra el agua de
caldera respecto del agua de alimentacin.
Alcalinidad: nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO3 que confiere una
concentracin de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de
funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11,5.
Desoxigenacin: tratamiento qumico que elimina el oxgeno del agua de
calderas.
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Incrustacin: sedimentacin de slidos con formacin de ncleos cristalinos o
amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia
de funcionamiento de la caldera.
Dispersante: sistema qumico que mantiene los slidos descohesionados ante
un evento de incrustacin.
Anti incrustante: sistema qumico que les permite a los slidos permanecer
incrustantes en solucin.
Anticorrosivo: sistema qumico que brinda proteccin por formacin de filmes
protectores ante iones corrosivos presentes en el agua.
Corrosin: deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroqumico
por su entorno.
ndice de vapor/combustible: ndice de eficiencia de produccin de vapor de
la caldera.
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CAPTULO 3 . CLASIFICACION DE LAS CALDERAS
Conforme ha transcurrido el tiempo se han hecho una serie de calderas diferentes
a las cuales se les dan diferentes nombres de acuerdo a la aplicacin para la que
se va utilizar por ejemplo:
Caldera de agua caliente:
Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a
110.
Caldera de agua sobrecalentada:
Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a
110.
Calderas de nivel definido:
Son aqullas calderas que disponen de un determinado plano de separacin de
las fases lquida y vapor, dentro de unos lmites previamente establecidos.
Calderas sin nivel definido:
Son aqullas calderas en las que no haya un plano determinado de separacin
entre las fases, lquida y vapor.
Calderas automticas:
Son aquellas calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar
de accin manual alguna, salvo en su puesta inicial en servicio o en caso de haber
actuado un rgano de seguridad de corte de aportacin calorfica. Asimismo se
considerarn como automticas las calderas que realizan su ciclo normal de
funcionamiento sin precisar de una accin manual, salvo para cada puesta en
marcha de su sistema de aportacin calorfica despus de que ste haya sufrido
un paro ocasionado por la accin de alguno de sus rganos de seguridad o de
regulacin.
Calderas manuales:
Se considerar como manual cualquier caldera cuyo funcionamiento difiera del de
las anteriormente definidas como automticas.
Caldera de vapor:
Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua.
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CLASIFICACIN DE LAS CALDERAS SEGN SU USO
Las calderas pueden ser clasificadas basndose en distintos puntos de vista
independientes entre s, de forma que uno no excluya el otro. As los factores a
considerar para clasificarlas pueden ser los siguientes: calderas de acuerdo a su
uso, existen mviles y fijas las mviles son locomotoras, buques, porttiles, las
fijas son industriales, domiciliarias, comerciales.
Segn la presin de trabajo:
Segn su presin de trabajo las clasificamos en baja, mediana, alta presin y
sper crticas dependiendo las presiones de trabajo las cuales son:
Calderas de baja presin 0 de 450 psi
Calderas de mediana presin 450 a 950 psi
Calderas de alta presin > 950 psi
Segn su capacidad:
Segn su capacidad se clasificaran por medio de categoras las cuales son:
Categora A: Aquellas que generan ms de 7500 Kg. /h de vapor o que tenga una
superficie de calefaccin mayor a los 200 m2.
Categora B: Las que generan ms de 2000 Kg. /h de vapor o tengan ms que 60
m2 de superficie de calefaccin.
Categora C: Cuando una caldera genere ms de 70 Kg. /h de vapor y su
superficie de calefaccin sea superior a los 2m2.
Categora D: Las calderas que generen menos de 70 Kg. /h y tengan menos de
2m2 de superficie de calefaccin.
Segn el material de construccin:
Segn el material de construccin del recipiente o los tubos, pueden ser de cobre,
bronce, hierro, acero comn, acero inoxidable, aceros especiales o aleaciones
especiales. Lo ms frecuente es utilizar para calderas pequeas, acero comn o
aceros reforzados especiales para presiones y capacidades mayores.
Segn el tamao:
Segn su tamao o capacidad pueden ser pequeas o livianas, medianas,
grandes o industriales, esto est asociado a la capacidad de produccin de vapor
de la caldera.
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Segn el contenido de los tubos o diseo:
En esta clasificacin se definen dos tipos de calderas y las que sern ms
utilizadas dependiendo de las necesidades del proceso, estas dos clasificaciones
son la caldera piro tubular y la caldera acuotubular ser llamada as dependiendo
como circule por el interior de los tubos los gases de combustin o el agua de
vapor, en la actualidad esta clasificacin es una de las ms utilizadas.
Caldera piro tubular o de tubos de humos
En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales
se hallan rodeados de agua como se muestra en la figura 3.1. La caldera piro
tubular generalmente tienen un hogar integral (denominado caja de fuego) limitado
por superficies enfriadas por agua. Esta caldera tambin es llamada humo tubular
y manejan presiones de operacin de 0-300 psig., su principal uso de estas
calderas es para:
Instalaciones de calefaccin a baja presin
Producir vapor a presin relativamente baja
Produccin de energa
Ventajas:
Menor costo inicial debido a la simplicidad de
su diseo.
Mayor flexibilidad de operacin.
Menores exigencias de pureza en el agua de alimentacin.
Son pequeas y eficientes.
Inconvenientes:
Mayor tiempo para subir presin y entrar en funcionamiento.
No son utilizables para altas presiones.
Calderas acuotubular o de tubos de agua
En las calderas acuotubulares, por el interior de los tubos pasa agua o vapor y
los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa de aquellos
como se muestra en la figura 3.2, en contraste con el tipo piro tubular las
calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa
obtener elevadas presiones y rendimientos, debido a que los esfuerzos
desarrollados en los tubos por las altas presiones son de traccin en vez de
compresin, como ocurre en los piro tubos. Estas calderas tambin son
llamadas de tubos de agua y manejan presiones de operacin de 0-2200 psi.
Figura 3-1 Caldera tipo pirotubular
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Ventajas:
La caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones
Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2000 HP.
La eficiencia trmica est por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya
que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
El tiempo de arranque para la produccin de vapor a la presin de trabajo no
excede los 20 minutos.
Pueden ser puestas en marcha rpidamente.
Puede obtenerse mayor capacidad aumentando el nmero de tubos,
independientemente del dimetro del caldern de vapor.
La mayor ventaja es la libertad de incrementar las capacidades y presiones.
Este tipo de caldera facilitan el montaje de la misma, da mayor calidad en
fabricacin y es ms econmico.
Por su fabricacin de tubos de agua es una caldera la cual no podr explotar.
Inconvenientes:
Mayor tamao y peso, mayor costo.
Debe ser alimentada con agua de gran pureza.
Son usadas en centrales elctricas y otras instalaciones industriales,
logrando con un menor dimetro y dimensiones totales una presin de
trabajo mayor.
Es posible encontrar tambin, para bajas capacidades, calderas con tubos de
humo y tubos de agua, denominadas Calderas Mixtas.
Segn la forma y posicin de los tubos:
Segn la forma de los tubos pueden ser de tubos rectos o tubos curvos segn su
posicin preponderante pueden ser calderas de tubos horizontales o verticales o
con la probabilidad de que puedan estar inclinados.
Figura 3-2 Caldera tipo pirotubular
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Segn la fuente de energa:
Segn la fuente de energa o aporte de calor pueden tratarse de calderas de
combustibles, calderas de radiacin o conveccin, etc.
Segn la clase de combustible:
Segn el tipo de combustible pueden ser calderas de combustin de carbn, de
lquidos, de gases, calderas de combustible nuclear, de combustibles especiales
como bagazo o licores, calderas de recuperacin de calor de gases y calderas
mixtas, cuando se combinan algunos de los anteriores.
Slidos: En este tipo son un poco engorrosas de operar por la alimentacin, las
cenizas y suciedad que generan y el difcil control de la combustin.
Lquidos: El combustible debe ser pulverizado o vaporizado para que reaccione
con el aire.
Gaseosos: De combustin ms fcil pero ms peligrosa que los lquidos.
Segn el fluido utilizado:
Segn el fluido utilizado pueden ser vapor de agua, de dowtherm, o mezcla de
aceites, de mercurio, etc.
Segn el sistema de circulacin:
Segn la circulacin de los fluidos entre s, pueden ser en paralelo o
contracorriente de un paso, de dos o varios pasos combinando circulacin en
paralelo y en contra corriente.
Segn la posicin del hogar:
Segn la posicin del hogar se clasifica en hogar externo o interno, refirindose a
la posicin del fuego respecto al volumen encerrado por la cmara de agua.
Segn el tipo de hogar:
Segn el tipo del hogar puede ser de parrilla, fija, parrilla mvil o mecanizada, de
quemador de finos, o quemador de lquidos y gases.
Segn su forma general:
Segn su forma general son del tipo cilndricas o de tubos, y stas con o sin domo,
con uno o varios domos, que a su vez pueden ser secos, hmedos o inundados,
pueden ser escocesa de retorno de llama, etc.
Segn el nombre o marca registrada del fabricante:
Segn la marca del fabricante pueden tratarse entre muchas otras de calderas
babcoc y wilcox, heine, galloway, keeler, mellor goodwin, gonella, etc.
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Segn el tiro de los gases:
Segn el tiro de los gases pueden ser de tiro natural, inducido, forzado o
balanceado.
Segn el modo de gobernar la operacin:
Segn el modo de gobernar o controlar la operacin de las mismas pueden ser
manuales automticas o semi automatizadas.
Segn propiedades especiales:
Tambin pueden ser clasificadas por criterios particulares o especiales no
detallados, tales como la instrumentacin empleada, aislantes empleados, nivel de
agua etc.
Segn su volumen:
Con respecto al volumen de agua que contienen en relacin con su superficie de
calefaccin:
De gran volumen de agua (ms de 150 litros) por metro cuadrado de superficie de
calefaccin SC.
De mediano volumen de agua (entre 70 y 150 lts. por m2 de SC).
De pequeo volumen de agua (menos de 70 lts. por m2 de SC).
Todas las calderas pueden clasificarse segn las caractersticas mencionadas
anteriormente. Cada fabricante ha tomado o seleccionado algunos de estos
aspectos, creando tipos de calderas que se han llegado a popularizar en el
ambiente industrial.
Actualmente en nuestro pas el 81% de las empresas de procesos utilizan
generadores de vapor para satisfacer los requerimientos de los procesos que
desarrollan, de las cuales el 67% utilizan equipos de tipo piro tubular y el 33%
restante utilizan de tipo acuotubular.
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CAPTULO 4 . PARTES PRINCIPALES QUE COMPONEN UNA
CALDERA.
En este captulo explicaremos solo partes generales relevantes propias del diseo
de las calderas. Debido a que cada caldera dispone de diferentes elementos,
dependiendo del tipo, de partes y caractersticas, es muy difcil atribuir a todas
ellas un determinado componente. En razn de lo anterior se analizarn las partes
principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo
de caldera que dispone de dicho elemento. Para tal anlisis usaremos el esquema
de la caldera cilndrica sencilla mostrada en la figura 4.1
Hogar o fogn:
Es el espacio donde se produce la combustin. Se le conoce tambin con el
nombre de cmara de combustin. Los hogares se pueden clasificar en:
Segn su ubicacin:
Hogar exterior
Hogar interior
Segn el tipo de combustible:
Hogar para combustibles slidos
Hogar para combustibles lquidos y gaseosos
Segn su construccin.
Hogar liso
Hogar corrugado
Figura 4-1 Partes de una caldera
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Esta clasificacin rige solamente cuando el hogar de la caldera lo compone uno o
ms tubos a los cuales se les dan el nombre de Tubo Hogar.
Puerta hogar: Es una pieza metlica, abisagrada, revestida generalmente en su
interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se alimenta de
combustible slido al hogar y se hacen las operaciones de control de fuego como
se muestra en la figura 4.2. En las calderas que queman combustibles lquidos o
gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador.
Emparrillado:
Son piezas metlicas en formas de rejas, generalmente rectangulares o
trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al
combustible slido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del aire
primario que sirve para que se produzca la combustin. Las parrillas deben
adaptarse al combustible y cumplir los siguientes requisitos:
Deben permitir convenientemente el paso del aire.
Deben permitir que caigan las cenizas.
Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez.
Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no se quemen o deformen.
Deben ser durables.
Algunos diseos de parrillas permiten que por su interior pase agua para
refrigerarlas y evitar recalentamientos. Hay varios tipos de parrillas las cuales se
pueden clasificar de la siguiente manera.
Segn su instalacin:
Fijas o estacionarias: son aquellas que no se mueven durante el trabajo.
Mviles o rotativas: son aquellas que van girando o avanzando mientras se
quema el combustible.
Figura 4-2 Puerta del hogar
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Segn su posicin:
Horizontales
Inclinadas
Escalonadas
Cenicero:
Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que
caen de sta. Los residuos acumulados deben retirarse peridicamente para no
obstaculizar el paso de aire necesario para la combustin. En algunas calderas el
cenicero es un depsito de agua.
Puerta del cenicero:
Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero.
Mediante esta puerta regulable se puede controlar tambin la entrada del aire
primario al hogar.
Altar:
Es un pequeo muro de ladrillo refractario, ubicado en el hogar, en el extremo
opuesto a la puerta del hogar y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a sta
en aproximadamente 30 cm. Los objetivos del altar son:
Impedir que al avivar, cargar o atizar los fuegos tiren partculas de combustibles o escoria al primer tiro de los gases.
El altar forma tambin el cierre interior del cenicero.
Imprimir a la corriente de aire de la combustin una distribucin lo ms uniforme posible y una direccin ascensional vertical en todo el largo y ancho de las parrillas.
Restringir la seccin de salida de los gases calientes aumentando su velocidad, lo cual facilita su mezcla y contacto ntimo con el aire, haciendo as que la combustin sea ms completa.
Conductos de humos:
Es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos y los gases calientes
que se han producido en la combustin, en estos conductos se realiza la
transmisin de calor al agua que contiene la caldera.
Caja de humo:
Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases
despus de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea.
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Chimenea:
Es el conducto de salida de los gases y humos de la combustin hacia la
atmsfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar
perjuicios o molestias a la comunidad. Adems, tiene como funcin producir el
tiraje necesario para obtener una adecuada combustin, esto es, haciendo pasar
el aire necesario y suficiente para quemar el combustible, en caldera que usan
combustibles slidos.
Tapas de registro o puertas de inspeccin:
Son aperturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos
tipos dependiendo de su tamao:
-Puertas de hombres:
Como su nombre lo indica, estas puertas tienen el tamao suficiente para permitir
el paso de un hombre para inspeccionar interiormente la caldera y limpiarla.
-Tapas de registro:
Todas las calderas tienen convenientemente distribuidas cierto nmero de tapas
que tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o
lavarlas, si es necesario extraer en forma mecnica o manual, los lodos que se
hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas.
Puertas de explosin:
Son puertas metlicas con contrapeso o resortes, ubicadas generalmente en la
caja de humos y que se abren en caso de exceso de presin en la cmara de
combustin, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presin. Solo son
utilizables en calderas que trabajen con combustibles lquidos o gaseosos.
Cmara de agua:
Es el volumen de la caldera que est ocupado por el agua que contiene y tiene
como lmite superior un cierto nivel mnimo del que no debe descender nunca el
agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mnimo visible en el
tubo de nivel hacia abajo.
Cmara de vapor:
Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior mximo de agua y en el
cual se almacena el vapor generado por la caldera.
Cmara de alimentacin de agua:
Es el espacio comprendido entre los niveles mximos y mnimos de agua. Durante
el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupado por agua y/o vapor, segn
sea donde se encuentre el nivel de agua.
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19
CAPTULO 5 . NUEVAS GENERACIONES DE CALDERAS
Tomando en cuenta las necesidades que se cubren al utilizar una caldera, los
fabricantes de stas se encuentran trabajando en nuevas tecnologas que
permiten optimizar los equipos y aseguran mayor ahorro de energa. Como es el
caso de las nuevas calderas de biomasa y de condensacin.
CALDERAS DE CONDENSACIN
Los hidrocarburos generalmente utilizados como combustibles (gas natural, GLP,
gasleo) son, como su nombre indica, compuestos de carbono e hidrgeno en
diversas proporciones, elementos que, al combinarse con el oxgeno del aire,
forman respectivamente dixido de carbono (CO2) y agua en estado gaseoso
(H2O). Cada kilogramo de agua, proveniente de los gases de combustin en forma
de vapor, tendra capacidad para ceder 2 260 kilojulios (kJ) si se condensase,
energa trmica que en calderas convencionales se enva a la atmsfera. Ver
figura 5.1.
Adems, los combustibles, especialmente los lquidos, tienen algunas impurezas,
como el azufre que forma xidos de azufre al combinarse con el oxgeno
atmosfrico. En las calderas corrientes, estos gases procedentes de la combustin
se expulsan a temperaturas superiores a 150 C, para conseguir tiro trmico y
para evitar que el agua se condense y forme cidos sulfuroso o sulfrico al
combinarse con los xidos de azufre (SO2 + H2O SO3 +H2 y SO3 + H2O
SO4+H2), lo que corroera sus partes metlicas.
1- Entrada de gas
2- Entrada de aire
3- Salida de gases quemados
4- Retorno desde emisores
5- Ida a emisores
6- Agua condensada
Figura 5-1 Esquema de funcionamiento de calderas de condensacin.
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20
Sin embargo, el uso de combustibles sin contenido de azufre, como los gases
(natural y GLP), permiti idear una caldera, la de condensacin, que aprovecha la
energa latente en el vapor de agua (los mencionados 2 260 kilojulios por
kilogramo). Para conseguirlo debe preparar el agua a una temperatura mxima de
60-70 C (en vez de 90 C, como las calderas corrientes) y evacuar los gases a
temperaturas inferiores a las de condensacin (100 C a nivel del mar), lo que, por
otro lado, reduce el tiro trmico del conducto de gases y hace necesario utilizar un
ventilador.Adems, al salir los gases quemados a menor temperatura, tambin se
aprovecha el calor que, en las calderas normales, se usara para subirlos a esa
temperatura.
Por la misma razn, que los combustibles no tienen que contener azufre, los
condensados no contienen sustancias corrosivas y se pueden evacuar por el
sistema de saneamiento normal. En las nuevas generaciones de calderas, los
rendimientos pueden llegar a exceder el 95%. Estos rendimientos son comunes en
calderas de condensacin, las cuales pueden llegar a operar con temperaturas de
agua alrededor de los 54 a los 60C.
Rendimiento:
Cuando comparamos las nuevas generaciones de calderas con los rendimientos
de las ms tradicionales, en donde los rendimientos oscilan en un 88% a una
temperatura de agua de 82C, podemos ver que pueden existir importantes
ahorros de energa en el consumo de gas, ms aun con calderas que superan los
20 aos de vida, las cuales apenas alcanzan rendimientos que no superan el 75%.
Solo esta variable podra ser utilizada para el clculo de un retorno razonable de la
inversin de reemplazar una existente caldera por una de mayor rendimiento
operacional. Esto podra ser real y suficiente en parte si la evaluacin asume una
condicin esttica en el tiempo, la cual no es real, por ende deben ser
consideradas otras variables de costos que son necesarias y reales dentro de la
evaluacin de una inversin. Ver figura 5.2.
Figura 5-2 Aumento de rendimiento entre caldera tradicional y de
condensacin
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21
En sistemas domiciliarios y comerciales menores, en donde el uso de calderas es
utilizado para calentamiento de agua para el uso sanitario y para el sistema de
calefaccin por radiadores del tipo estticos, los ahorros energticos podran
oscilar desde un 15% hasta un 40%, solo considerando la eficiencia de la caldera,
pero si al sumar todos los costos relaciones en un Ciclo de Vida del Equipo, podra
verse claramente que los ahorros acumulados en dinero seran muy altos,
llevando a estos, a de superar a los ahorros que podran obtenerse por tan solo el
consumo de menos gas por eficiencia energtica.
Por varios aos se han realizado estudios para conocer el punto de inflexin entre
la vida operacional de una caldera con respecto al consumo energtico que esta
tiene durante el mismo periodo, llegndose a un concepto potente denominado
Vida til de una Caldera, siendo este concepto aprobado por ASHRAE, que una
de las ms reconocidas asociaciones a nivel mundial en esta materia. Ver figura
5.3.
Este valor en aos de la Vida til de la Caldera nos dice claramente el tiempo en
el cual las curvas de Vida Operacional y la de Eficiencia Energtica se cortan,
haciendo que la operacin sea viable y econmicamente funcional y que esta no
sea igual o mayor que el costo de reinvertir en una nueva caldera con mayores
eficiencias y menores costos de mantenimiento correctivo y de reparaciones
mayores. Tener calderas que superen esta vida til nos lleva a tener una fuga
silenciosa y creciente de gastos energticos que muchos Ingenieros y
Administradores de edificios muchas veces no pueden ver durante su da a da
laboral, consumos que se van acumulando por los aos haciendo que estos sobre
costes de energa de la llamada energa Basura, puedan pagar el reemplazo
completo de un sistema de caldera en un plazo no mayor a los 10 aos incluyendo
en los mismo los costos financieros para realizarlo.
Figura 5-3 Aos de vida til
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CALDERAS DE BIOMASA
Debido al continuo aumento de los precios de los combustibles fsiles, los
usuarios buscan nuevas alternativas que no slo ofrezcan una solucin
econmica sino tambin medioambiental: la biomasa como recurso energtico
producido independientemente de las turbulencias del mercado internacional del
petrleo no contribuye al efecto invernadero. Las nuevas generaciones de
calderas de biomasa ofrecen una total comodidad a los usuarios. Los motivos
son sencillos:
El precio de los pellets es sensiblemente inferior al de otros combustibles
convencionales.
En los ltimos aos, se ha generalizado el empleo de calderas que en lugar de
emplear combustibles tradicionales como gasleo o gas natural, emplean biomasa.
La biomasa es un residuo de carcter orgnico considerado un combustible de
origen renovable. Pero en realidad, qu tipos de biomasa hay y por qu es una
energa limpia?
Figura 5-4 Comparativa de combustibles
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Combustible para calderas de biomasa:
La biomasa es un residuo orgnico que tras un tratamiento ms o menos intenso,
se emplea como combustible. Algunos ejemplos son las cscaras de nuez, los
desechos de podas y talas, la lea o los huesos de aceituna. Es cierto que al
quemarse producen CO, principal gas de efecto invernadero, pero ese CO
emitido procede de materia vegetal que la planta en cuestin ha incorporado a su
estructura orgnica. Por ello, el CO emitido a la atmsfera al quemar este
material vegetal es neutro: primero se incorpora a los tejidos vegetales y luego se
emite a la atmsfera al quemarla para producir energa trmica.
En la actualidad existen varios tipos de combustibles slidos para emplear en las
calderas de biomasa. Algunos de ellos son los pellets, las briquetas, los
granulados o polvos de determinados residuos vegetales.
Los pellets
Son pequeos cilindros (entre 5 y 6 mm de dimetros y 2-3 cm de longitud) de
biomasa compactada, procedente de residuos forestales, serrines o residuos de
podas principalmente. Su constitucin compacta y su reducido tamao son una
ventaja frente a determinados combustibles de mayor tamao. Esto permite la
automatizacin de la alimentacin de las calderas de biomasa desde un silo de
almacenamiento. Ver figura 5.5.
Figura 5-5 Pellets
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Las briquetas
Son cilindros de biomasa (entre 20 y 50 cm de longitud y 10 y 15 de dimetro)
compactada siempre del mismo tamao y cuya composicin es similar a la de los
pellets. Su constitucin compacta y uniforme supone grandes ventajas de
almacenamiento, limpieza, transporte y facilidad de uso respecto a la lea. El
modo de empleo de las briquetas es similar al de la lea tradicional, pudindose
utilizar en cualquier chimenea o estufa.
Tambin se emplea como biomasa slida para una caldera alimentada desde un
silo de almacenamiento el orujo de uva seco, el hueso de aceituna triturado, la
cscara de almendra triturada o la cscara de nuez. Cada uno de ellos poseer
diferentes caractersticas y estar adaptado a un tipo de caldera u otro.
Las diferentes calderas de biomasa estarn diseadas para un combustible con
unas especificaciones determinadas:
Las calderas de pequea potencia admiten un combustible estandarizado segn
una norma, empleando habitualmente pellet.
Las calderas de gran potencia se disean a medida de un combustible
determinado y admiten una variacin limitada en las caractersticas de ste.
As pues, dependiendo del tipo de caldera que dispongamos, emplearemos un tipo
de biomasa u otra, la cual tendr unas caractersticas de granulometra, densidad,
poder calorfico, humedad, contenido en cenizas, contenido en cloro o temperatura
de fusin de las cenizas diferentes.
Figura 5-6 Briquetas
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CAPTULO 6 . CALDERAS PIROTUBULARES
Son aquellas calderas en las que los gases de la combustin circulan por el
interior de los tubos y el lquido se encuentra en un recipiente atravesado por
dichos tubos. Son de aplicacin principalmente cuando la presin de trabajo es
inferior a los 22 bar.
Por su diseo, tienen un gran volumen de agua, por lo que suelen estar la
totalidad de las mismas clasificadas en la clase segunda de acuerdo con lo
indicado en el Reglamento de Equipos a Presin en su instruccin tcnica
complementaria ITC EP-1 Captulo II Artculo 3. Dicho volumen de agua les
permite adaptarse mejor a las variaciones de la instalacin que las calderas
acuotubulares.
El vapor producido por las misma suele tener un ttulo de vapor cercano al 1, es
decir, que el contenido de agua por unidad de masa es bajo (3%), no siendo
necesario instalar equipos auxiliares complementarios.
Las exigencias de la calidad del agua de alimentacin son menores a las
requeridas por las calderas acuotubulares. Las calderas pirotubulares se clasifican
en funcin de la disposicin del haz tubular en:
Calderas horizontales: el haz tubular est dispuesto de la parte delantera a la
trasera de la caldera. Ver figura 6.1.
Calderas verticales: el haz tubular est dispuesto de la parte inferior a la parte
superior de la caldera.
Figura 6-1 Detalle de caldera pirotubular horizontal.
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Las calderas pirotubulares se clasifican en funcin del nmero de haces tubulares
en:
Calderas de dos (2) pasos de gases:
En el diseo de dos pasos de humos, ver Fig. 6.2, se distinguen claramente dos
vas de paso autnomas de circulacin de los productos de combustin. Se
puede diferenciar una cmara cilndrica de combustin denominada hogar,
localizada en la parte inferior de la caldera y rodeada por una pared posterior
totalmente refrigerada por agua (cmara hmeda).
Los gases de combustin producidos por el quemador en la parte posterior de
la cmara de combustin (hogar) fluyen en sentido inverso a travs del hogar
volviendo hacia el ncleo de la llama por la zona exterior de la misma hasta la
zona delantera de la caldera para introducirse en los tubos del segundo paso de
humos.
Seguidamente, los gases de combustin de la caldera son dirigidos hacia la
caja de gases trasera y evacuados al exterior. Las calderas que se basan en
este principio se caracterizan por su bajo rendimiento, as como por el alto
contenido de sustancias contaminantes en sus gases de combustin.
Figura 6-2 Detalle de caldera de dos pasos de gases
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FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA
Circuito de agua:
El principio de funcionamiento de una caldera de vapor, tiene como fin evaporar
agua y sobrecalentar el vapor obtenido, mediante energa liberada en una
reaccin de combustin.
En concreto la caldera de vapor elegida para el modelado funciona de la siguiente
forma: el agua de alimentacin BFWH (Boiler Feed Water High) llega al caldern, y
desde all, a travs de los tubos bajantes (down-comer) llega hasta el colector
inferior. Desde este colector de distribucin, el agua precalentada pasa a travs de
los tubos alimentadores (risers), situados en las paredes del hogar de la caldera.
El vapor se genera en estos tubos (risers), recogindose despus, en los
colectores superiores de las paredes laterales. El vapor generado pasa a
continuacin por los tubos de descarga del caldern por dentro de un deflector
circular. El vapor sale del deflector circular y pasa por los separadores a la cmara
de vapor, por encima del agua del caldern. El agua separada del vapor condensa
en el caldern. Antes de que el vapor llegue a los tubos alimentadores del
recalentador, debe pasar por unos secadores, que estn construidos de forma que
el vapor tenga que chocar en una serie de tabiques que le hacen cambiar de
direccin. Esto elimina con efectividad los restos de humedad del vapor. El vapor
saturado SH (Steam High) pasa al colector de entrada del recalentador que consta
de dos etapas (recalentador primario y recalentador secundario). A continuacin,
el vapor pasa al colector general de vapor, desde donde se redistribuye a las
diferentes unidades del complejo qumico.
Circuito de Humos:
Utilizando de ejemplo una caldera que utiliza CH4 como combustible, donde
tericamente el 100% del gas es metano CH4. La temperatura de entrada del
combustible es de aproximadamente 25C y el mximo caudal que puede aportar
es de 12 T/h. El aire aportado a la caldera para la combustin proviene del exterior
con una temperatura ambiente de 25C. Antes de entrar en el hogar, el aire es
calentado por un precalentador de aire, gracias al intercambio de calor de los
humos de la combustin que salen de la caldera. En el proceso de combustin de
nuestra caldera slo el 95 % de Gas Natural reacciona con el aire, el otro 5 % no
reacciona y se trata como parte del humo o gases de escape. Del 95 % del
Metano quemado, slo el 80 % reaccionar para formar CO2 (dixido de carbono),
el resto reaccionar para formar CO (monxido de carbono).
CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O
CH4 + 3/2O2 == CO + 2H2O
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A parte de los mencionados componentes, se considerarn tambin humos o
gases de escape, el N2 (Nitrgeno), que no interviene en la combustin, el H2O
(vapor de agua), que se origina, y el exceso de O2 que no reacciona con el Gas
Natural. Los humos creados en la combustin llevan un calor, que ser el
responsable de los diferentes intercambios que se irn produciendo en el hogar de
la caldera y que ayudarn a producir el vapor necesario segn las necesidades.
Existen tres partes fundamentales dentro del hogar donde se producirn dichos
intercambios de calor: Zona de Radiacin, Zona de Conveccin y Recalentador.
SELECCIN DEL TIPO DE CALDERA:
Los parmetros principales que se han de tener en cuenta a la hora de seleccionar
el tipo de caldera son los siguientes:
Potencia til (para las calderas de agua caliente, agua sobrecalentada y fluido
trmico) segn el requerimiento trmico de la instalacin a la cual van a alimentar.
Produccin de vapor (para las calderas de vapor) segn el consumo de vapor
necesario en el proceso.
Presin de trabajo en continuo (para todos los tipos) de acuerdo con la presin
necesaria en el consumidor ms alejado del centro de produccin.
Temperatura de trabajo en continuo, segn el requerimiento constante de la
instalacin.
Reduccin de las emisiones de NOx;
Otro de los aspectos ms significativos que se deben tener en cuenta en el
momento de elegir una caldera y que hay que considerar es el de la emisin de
gases contaminantes. Uno de estos gases contaminantes son los xidos de
nitrgeno (NOx), cuya emisin est regulada en Europa por numerosas normativas
y disposiciones legislativas. Una ventaja del diseo de calderas de tres pasos de
humos es la reduccin de la temperatura en la zona de combustin, un factor que
favorece la limitacin de las emisiones nocivas de xidos de nitrgeno (NOx).
Otro factor muy importante para limitar la emisin de xidos de nitrgeno es la
carga trmica volumtrica de la cmara del hogar de combustin. En el caso de
calderas de tres pasos de gases, sta es inferior a 1,3 MW/m3. Basndose en las
medidas y datos proporcionados por fabricantes de quemadores, en la Fig. 6.3 se
representa el informe experimental de la emisin de NOx y la carga trmica de la
cmara de combustin. As, resulta que la emisin de NOx se reduce de manera
directamente proporcional a la carga trmica de la cmara de combustin y es
notablemente ms baja en las calderas de tres pasos de humos
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Figura 6-3 Emisiones de NOx y carga trmica segn tipo de caldera.
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Prdidas por radiacin y conveccin:
Las prdidas relativas de calor en el ambiente (prdidas por radiacin y
conveccin) es una de las caractersticas de la caldera que debe tenerse en
cuenta.
Su valor est condicionado por la eficacia del aislamiento del cuerpo de la caldera.
En este caso, tienen una gran importancia los elementos cuyo coeficiente de
transmisin del calor 1 [W/mK] sea bajo, as como su espesor S1 [mm], ver Fig.
6.4.
El aislamiento del cuerpo en cada condicin ambiental debe garantizar que se
consigan las condiciones de equilibrio, es decir, que el valor de la temperatura del
cuerpo de la caldera no bajar de una manera significativa y, as, minimizar las
prdidas de temperatura.
COMPONENTES FUNDAMENTALES:
Los componentes que forman las calderas pirotubulares son los siguientes:
Envolvente exterior o virola exterior: Este elemento es de forma
cilndrica y es el encargado de contener los fluidos (agua/vapor) y evitar que estos
salgan al exterior, en la misma van montadas las tubuladuras de control y
supervisin, tales como los controles de nivel, los indicadores pticos de nivel y
orificios de inspeccin del lado de agua, etc.
Figura 6-4 Prdidas por radiacin y conveccin
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Cmara de combustin u hogar de combustin. La cmara de
combustin, de construccin cilndrica y disposicin horizontal, puede fabricarse
en ejecucin lisa u ondulada, en funcin del tamao de la caldera y de la presin
de trabajo de la misma. Es la encargada de contener la llama del quemador e
iniciar el intercambio de energa por radiacin.
Cmara de inversin de gases (solo en las calderas de tres
pasos de gases). Este elemento es el encargado de reconducir los gases de la
combustin hacia el haz tubular o II (2) paso de gases, haciendo cambiar de
direccin a los mismos. Por regla general, esta cmara est totalmente refrigerada
por agua, y construida de forma cilndrica y horizontal. En calderas de bajo
rendimiento, uno de los dos fondos no est refrigerado por agua, sino que lo est
de una mampostera de cemento refractario.
Fondo delantero y trasero exterior. De forma circular, van soldados a la
virola exterior y, al igual que sta, evitan que los fluidos salgan al exterior. En
estas piezas van soldados los tubos de humos del II (2) y III (3) paso de gases,
as como puertas de registro e inspeccin y cajones recolectores de gases.
Fondo delantero y trasero interior (solo en calderas de tres (3)
pasos de gases). De forma circular, van soldados a la virola de la cmara de
inversin. Su misin es la de contener los productos de la combustin. En el fondo
delantero van soldados los tubos de segundo paso de gases y en el fon do trasero
van soldados entre ste y el fondo trasero exterior unos tubos huecos (tubos stay)
para dar al conjunto robustez y flexibilidad.
Haz tubular (de 1 o 2 secciones en funcin de las calderas
de 2 o 3 pasos de gases).Son conjuntos formados por una cantidad variable
de tubos, por los cuales circulan los gases de la combustin por su interior. Son
los encargados de la trasmisin por conveccin.
PROBLEMAS BSICOS PLANTEADOS EN EL INTERIOR DE LAS
CALDERAS DE VAPOR
Los principales problemas que pueden aparecer en la utilizacin de las calderas
de vapor vienen motivados por los siguientes procesos:
Incrustaciones.
Corrosiones.
Arrastres.
Depsitos.
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Incrustaciones:
Las incrustaciones cristalinas y duras se forman directamente sobre la superficie
de calefaccin por cristalizacin de las sales en disolucin saturadas presentes en
el agua de la caldera. Estn constituidas, esencialmente, por elementos cuya
solubilidad decrece al aumentar la temperatura del agua y son, generalmente,
carbonato clcico, sulfato clcico, hidrxido clcico y magnsico, y ciertos silicatos
de calcio, de magnesio y de aluminio, entre otros.
Las incrustaciones son peligrosas porque su conductividad trmica es pequea.
Estas incrustaciones afectan al rendimiento trmico de las calderas y producen un
recalentamiento importante en el metal expuesto a la llama.
Esto se traduce en corrosiones, hinchamientos y explosiones, cuyas
consecuencias pueden ser graves.
Figura 6-6 Efecto de incrustaciones y flujo de calor en la temperatura del metal.
Figura 6-5 Ejemplo incrustaciones en caldera de vapor.
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La accin de dispersantes, lavados qumicos o las dilataciones y contracciones de
una caldera pueden soltar las incrustaciones, por lo que deben ser eliminadas
para prevenir su acumulacin en el fondo del cuerpo de presin, tal como lo
muestra la Figura 6.7.
Figura 6-7 Ejemplo de acumulacin de las incrustaciones en fondo de caldera.
En el caso de que estas incrustaciones no sean removidas, se corre el riesgo de
embancar la caldera y obstruir las lneas de purga de fondo, con lo que el
problema puede tornarse an ms grave.
Corrosiones:
La corrosin es un proceso por el cual el metal en contacto con su medio ambiente
tiende a cambiar desde forma pura de metal a otra ms estable. El hierro, por
ejemplo, es gradualmente disuelto por el agua y oxidado por el oxgeno que lleva
en su seno, formndose productos de oxidacin a base de xidos de hierro. Este
proceso ocurre rpidamente en los equipos de transferencia de calor, como son
las calderas de vapor, ya que, en presencia de altas temperaturas, gases
corrosivos y slidos disueltos en el agua se estimulan los procesos de corrosin.
De los diversos tipos de corrosin que pueden plantearse, se consideran como
fundamentales los siguientes:
Corrosin general.
Corrosin por oxgeno o pitting.
Corrosin custica.
Corrosin por anhdrido carbnico.
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Corrosin general: La corrosin general tiende a disolver o atacar el metal
de manera uniforme sobrecalentado por el vapor, tal como puede ocurrir en
la superficie de los tubos, con acumulacin de productos de la corrosin en
la propia superficie del metal.
Un caso singular de esta corrosin es la debida a la acidez del agua segn
la reaccin: Fe + 2H+ d Fe++ + H2
El hierro y otros metales se disuelven ms rpidamente en el agua cuanto
ms bajo sea el valor del pH o ms cida sea el agua. De ah viene la
necesidad de mantener un pH fuertemente alcalino o pH elevado en el
interior de las calderas de vapor.
Corrosin por oxgeno o pitting: La corrosin por el oxgeno disuelto puede
manifestarse, adems de forma generalizada, por despolarizacin catdica
al desequilibrar la reaccin anterior en un proceso de corrosin muy
importante llamado corrosin por aireacin diferencial (efecto Evans).
Efectivamente, cuando un metal se ve recubierto de forma irregular por
baros e incrustaciones, en presencia de oxgeno disuelto, las zonas
cubiertas se ven preferentemente atacadas y son el centro de corrosiones
localizadas y profundas, como tubrculos de color negro.
Figura 6-8 Ejemplo de corrosin por pitting en tubos de humo
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Corrosin custica: La corrosin custica se produce por una
sobreconcentracin local en zonas de elevadas cargas trmicas (fogn,
cmara trasera, etc.) de sales alcalinas, como la sosa custica. Este tipo de
corrosin se manifiesta en forma de cavidades profundas, semejantes al
pitting por oxgeno, rellenas de xidos de color negro, presentes solamente
en las zonas de elevada liberacin trmica (fogn, placa trasera y cmara
trasera) de una caldera.
Corrosin por anhdrido carbnico: El anhdrido carbnico disuelto en el
agua y los distintos compuestos que en ella forma juegan un papel
importantsimo en la qumica del agua. El CO2 se disuelve en el agua en
funcin de su presin parcial (PCO2). Una parte permanece en disolucin
en forma de gas mientras otra reacciona con el agua para dar cido
carbnico (H2CO3) que se disocia parcialmente para dar iones carbonato o
bicarbonato. Estos iones sern consumidos en reacciones de ataque a
diversos minerales. Esta corrosin se pone de manifiesto principalmente en
las lneas de retorno de condensado y tiene efectos sobre la caldera, ya
que los xidos producidos (hematita) son arrastrados a la misma con el
agua de alimentacin. Toda caldera cuyo lado agua tiene un color rojizo
presenta problemas de corrosin en las lneas de retorno de condensado.
Arrastres:
El arrastre de condensado en una caldera tiene relacin con el suministro de vapor
hmedo (con gotas de agua). El suministro de vapor hmedo puede tener relacin
con deficiencias mecnicas y qumicas.
Las deficiencias mecnicas tienen relacin con la operacin con elevados niveles
de agua, deficiencias de los separadores de gota, sobrecargas trmicas,
variaciones bruscas en los consumos, etc.
Figura 6-9 Ejemplo de corrosin custica en tubo hogar de caldera de vapor.
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Por otro lado, las deficiencias qumicas tienen relacin con el tratamiento de agua
de la caldera, especficamente con excesivos contenidos de alcalinidad, slidos
totales (disueltos y en suspensin) y slice, que favorecen la formacin de espuma.
El vapor que escapa de una caldera contiene siempre vesculas de agua que
tienen tendencia a vaporizarse. Si el vapor llega hmedo al recalentador, es decir,
si existe arrastre, el residuo slido de la evaporizacin del agua de la caldera
puede depositarse parcialmente en el mismo, observndose verdaderas
incrustaciones ricas en sosa custica o en sales de sodio.
En la figura 6.10 se muestra una vista interior de la cmara de vapor de una
caldera, en cuyas paredes se aprecia la irregularidad del nivel de agua provocada
por un excesivo contenido de slidos.
En muchos casos, la contaminacin del vapor debido al fenmeno del arrastre
puede perjudicar de forma grave la calidad del producto en con- tacto con el vapor,
como puede ser el caso de las industrias alcoholeras, farmacuticas, etc.
Depsitos:
El agua que contiene la caldera tiene slidos en suspensin que provienen del
agua de alimentacin o de los aditivos y procesos de eliminacin de las
incrustaciones que se decantan en el fondo de la caldera en forma de lodos.
Al igual que ocurre con las incrustaciones, la conductividad trmica de estos
compuestos precipitados es muy baja, lo que puede llevar al fallo de metal por
sobrecalentamiento al no refrigerarse adecuadamente.
Cuando la concentracin de slidos en suspensin es excesiva, la precipitacin de
lodos puede llevar al fallo de lectura de algunos componentes de control de la
caldera, como pueden ser las sondas de nivel o de presin.
Figura 6-10 Efecto de los slidos disueltos en el
nivel de agua de la
caldera de vapor.
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CAPTULO 7. CALDERA PIROTUBULAR DEL REA DE CIENCIAS
BSICAS E INGENIERAS DE LA UAN En el rea de Ciencias Bsicas e Ingenieras se cuenta con una caldera de tubos de
humo, la cual produce vapor saturado que es utilizado en los diferentes equipos que
operan en el laboratorio de Ingeniera Qumica.
De acuerdo a reportes orales de algunos docentes de esta Unidad Acadmica, esta
caldera fue instalada en la dcada de los aos 70s, sufriendo modificaciones en tiempos
posteriores, documentamos una 1982, ao en el cual se levant un plano de todo el
equipo.
Algunas especificaciones importantes de esta caldera son:
El combustible que se usa es diesel mexicano (C21H44.5).
No se cuenta con precalentador de aire.
El vapor de agua que se produce es vapor saturado, no se cuenta con
recalentador.
El exterior de la caldera est construido de acero inoxidable.
Las paredes del hogar son de fibra de vidrio.
El agua de alimentacin pasa antes por un equipo de desionizacin.
El modelo original es mexicano, de la marca Selmec.
Como se observa en la imagen, es una caldera de tipo horizontal.
Son 20 tubos por donde fluyen los gases de combustin.
Se consult un plano realizado en 1982, ao en que se reportan modificaciones, para
reconstruir un dibujo de la caldera, el cual se muestra en la figura 8.1.
Figura 7.1 Caldera instalada en el rea de ciencias Bsicas e Ingenieras.
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REPORTE DE FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA
Se program una corrida de la caldera ubicada en el rea de Ciencias Bsicas e
Ingenieras con la finalidad de obtener un flujo de combustible (diesel), tambin
para conocer la instalacin, algunos datos y el funcionamiento de dicha caldera.
Se trata de una caldera pirotubular (los gases de combustin circulan por el
interior de los tubos y el lquido se encuentra en un recipiente atravesado por
dichos tubos) de acero al carbn que produce vapor saturado a partir de agua de
alimentacin que entra a la caldera a temperatura ambiente, cuenta con vlvula de
seguridad para expulsar vapor en caso de que la presin sobrepase la presin
deseada, una vlvula ms en el fondo para purgar polvos, lodos y sustancias
indeseadas en general.
El agua de alimentacin es llevada a travs de un sistema de bombeo de 1 HP,
despus de ser tratada por un filtro y un tanque suavizador.
Primero cuantificamos 1 litro de diesel empleando una probeta de 1 litro, en la cual
introducimos la manguera de alimentacin de combustible al quemador. El nivel de
agua en la caldera est conectado a un sistema automatizado, al revisar el nivel
se observ que era adecuado.
Para determinar un flujo aproximado de combustible procedimos a encender el
quemador y as se mantuvo por 443 tiempo en cual consumi 850 mL de diesel.
Figura 7.3 Corte vertical de la caldera.
Tubos de humo
Hogar
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40
El docente responsable de la caldera es el M.C Liborio Gonzlez Torres, el cual
nos brind informacin bsica, datos que la experiencia le ha otorgado y que de
otra manera sera muy difcil medirlos, pues no se cuenta con el equipo necesario.
BALANCE DE MASA Y ENERGA DE LA CALDERA
Construimos el esquema que se muestra en la figura 7.4, para visualizar los datos
que se nos proporcionaron de primera mano por el maestro Liborio:
Observamos que lo que conocemos es la temperatura del agua de alimentacin y de los
gases de combustin a la salida (chimenea). Otros datos que conocemos son:
La potencia mxima son 20 CV.
La combustin del diesel es del 95%.
La potencia de la bomba del quemador es de HP
La potencia de la bomba de agua de alimentacin es de 1 HP.
El volumen del caldern es de 0.825143 m3, (de acuerdo a las medidas en
el plano proporcionado).
La presin a la que trabaja la caldera es de 4 kg/cm2
De acuerdo a todos estos datos, podemos obtener ms informacin para nuestro
diagrama:
El flujo que otorga una bomba de 1 HP reportado en la mayora de la
bibliografa consultada es de 130 kg/min. Como dentro de la caldera no se
registra reaccin qumica alguna, y no hay acumulacin, lo que entra es lo
mismo que lo que sales, por lo tanto suponemos: m3=m4=130 kg/min.
Gases de
combustin
T1=? H1=?
Flujos=? Gases de
combustin
T2=350C H2=?
Flujos=?
Agua de
Alimentacin
T3=25 H3=?
Flujos=?
Vapor Saturado
T4=? H4=?
Flujos=?
Figura 7.4 Diagrama para realizar el balance de energa.
Q=?
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41
En la corriente 3 tenemos agua lquida comprimida a 25C, con estos datos
consultamos tablas termodinmicas para conocer H3=104.85 Kj/kg.
En la corriente 4 tenemos vapor de agua saturado y una presin de 4
kg/cm2 (392.266 kPa), con estos datos consultamos tablas termodinmicas
para conocer la H4=2737.17 kJ/kg y T4=142.91C.
Es conveniente dividir nuestro anlisis de la caldera en dos partes, la primera corresponde
a la Zona de Combustin que es dnde se lleva a cabo la reaccin de combustin del
diesel con el oxgeno y la segunda del Caldern que es dnde se lleva a cabo el
intercambio de calor.
Balance de Materia de la Zona de Combustin
La reaccin tpica de combustin de diesel es:
Componentes de ENTRADA:
C21H44.5 de Alimentacin
S de Alimentacin
O2 de Alimentacin
N2 de Alimentacin
( ) 8
-
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Componentes de SALIDA:
C21H44.5 de Salida
CO de Salida
CO2 de Salida
-
43
O2 de Salida
N2 de Salida
El N2 es un componente que no forma parte de la reaccin y por tanto los mol/min
de salida son iguales a los de entrada.
H2O de Salida
El resto de los productos de la reaccin los podemos descartar por su mnima
formacin (C, C4H8, SO2, NO, NO2).
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En la siguiente tabla se observa de forma resumida el balance molecular de los
componentes de entrada y de salida de la reaccin para los valores mximos de
produccin:
Entrada Salida
Componente Masa Molar
Mol/min Kg/min Mol/min Kg/min
C21H44.5 296.5 0.498395 0.147774 0.024919 7.388484e-3
O2 32 182.243250 5.834118 167.033581 5.345075
N2 28 764.900571 21.936282 764.900571 21.417216
CO2 44 9.941501 0.437426
CO 28 1.495185e-3 4.186518e-5
H2O 18 10.534841 0.189627
OTROS 0.521397
TOTAL 27.918174 27.918174
Balance de Energa de la Zona de Combustin
A continuacin se calcularan las entalpas de cada uno de los componentes que
intervienen en la reaccin. Al realizar el clculo de las entalpas hay que tener en
cuenta las temperaturas de cada uno de los componentes.
La temperatura del Diesel (C21H44.5) ser la temperatura ambiente, 25C.
Al igual que para el Diesel la temperatura del aire ser la temperatura ambiente.
La temperatura de los gases de escape ser 1624.6 C.
Entalpas de ENTRADA:
Para el clculo de entalpas necesitamos saber la capacidad calorfica Cp de los
componentes de entrada, que se resumen en la siguiente tabla:
Componentes Constantes Cp=a+b10-2T +c10-5T2 +d10-9T3
a b c d T C KJ/molC Kj/KgC
C21H44.5 --- --- --- --- 25 3.428984E+05 1.156487E+06
O2 29.1 1.158 -0.6076 1.311 25 2.938572E+01 9.183038E+02
N2 29.0 0.2199 0.5723 -2.871 25 2.905851E+01 1.037804E+03
Capacidad calorfica de los componentes de entrada
-
45
Una vez que conocemos las Cp, calculamos a las entalpas de cada reactivo. Para
ello utilizaremos la siguiente frmula:
( )
Entalpa de los componentes de entrada
Si multiplicamos la entalpia de cada componente por el caudal en ese momento
encontraremos el calor de entrada. La tabla siguente es orientativa por lo que hace
referencia a los valores, ya que el caudal de cada gas ir variando en cada
instante, por esto los valores que se reflejan a continuacin son para el caso de
produccin mxima
Calores de los componentes de entrada
Componentes Cp Temperaturas C Entalpia H
Kj/Kg Kj/KgC T1 T2
C21H44.5 ---- ---- ---- 1.156487E+06
O2 ---- ---- ---- 0
N2 ---- ---- ---- 0
Componentes Entalpia H
Kj/Kg Caudal Kg/min
Q Kj/min
C21H44.5 1.156487E+06 0.147774 170,898.7099
O2 0 5.834118 0
N2 0 21.936282 0
TOTAL 170,898.7099
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46
Entalpas de SALIDA:
Para el clculo de entalpas necesitamos saber la capacidad calorfica Cp de los
componentes de salida, que se resumen en la siguiente tabla:
Componentes Constantes Cp=a+b10-2T +c10-5T2 +d10-9T3
a b c d T C KJ/molC Kj/KgC
C21H44.5 --- --- --- --- 1624.6 2.225661E+07 7.515316E+07
O2 29.1 1.158 -0.6076 1.311 1624.6 3.749770E+01 1.171803E+03
N2 29.0 0.2199 0.5723 -2.871 1624.6 3.536694E+01 1.263105E+03
CO2 36.11 4.233 -2.8887 7.464 1624.6 6.0641627E+01 1378.218795
CO 28.95 0.411 0.3548 -2.22 1624.6 3.5472410E+01 1266.871781
H2O 33.46 0.688 0.7604 -3.593 1624.6 4.9300440E+01 2738.913327
Capacidad calorfica de los componentes de salida
Una vez que conocemos las Cp, calculamos a las entalpas de cada reactivo. Para
ello utilizaremos la siguiente frmula:
( )
Entalpa de los componentes de salida
Componentes Cp Temperaturas C Entalpia H
Kj/Kg Kj/KgC T1 T2
C21H44.5 7.515316E+07 25 1624.6 1.2021E+11
O2 1.171803E+03 25 1624.6 1874416.08
N2 1.263105E+03 25 1624.6 2020462.76
CO2 1378.218795 25 1624.6 2204598.78
CO 1266.871781 25 1624.6 2026488.1
H2O 2738.913327 25 1624.6 4381165.76
-
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Si multiplicamos la entalpia de cada componente por el caudal en ese momento
encontraremos el calor de entrada. La tabla siguiente es orientativa por lo que
hace referencia a los valores, ya que el caudal de cada gas ir variando en cada
instante, por esto los valores que se reflejan a continuacin son para el caso de
produccin mxima
Calor de los componentes de salida
Si al calor total de salida le restamos el de entrada encontraremos el incremento
de calor que sufre la reaccin. Balance de energa:
ANALISIS DE LOS GRADOS DE LIBERTAD
Con los clculos realizados hasta ahora, la consulta de tablas termodinmicas y los datos
proporcionados, replanteamos nuestro esquema para el balance de energa de la caldera:
Componentes Entalpia H
Kj/Kg Caudal Kg/min
Q Kj/min
C21H44.5 1.2021E+11 7.388484e-3 8.88E+08
O2 1874416.08 5.345075 1.00E+07
N2 2020462.76 21.417216 4.33E+07
CO2 2204598.78 0.437426 9.64E+05
CO 2026488.1 4.186518e-5 8.48E+01
H2O 4381165.76 0.189627 8.31E+05
TOTAL 9.43E+08
T1=?
H1=?
H4=?
Q=?
-
48
El anlisis de grados de libertad
nos arroja como resultado
nmeros muy distantes del 0, esto
nos indica el grado de idealidad
que consideraremos en nuestro
balance, es decir se tuvieron que
hacer muchas suposiciones para
resolver nuestras ecuaciones. Sin
estas suposiciones nos hubiese
sido imposible cualquier clculo.
Recordamos que:
Clculo de la Temperatura a la entrada de los gases de combustin
Conocemos la temperatura de salida de dichos gases (350C), y las dos entalpas de las
corrientes de agua. Utilizaremos la frmula para cada flujo de entrada.
( )
Concepto Balance de Masa balance de energia
NTVCC
variable de corriente 4 4
velocidad de reaccin 0 1
tempertatura 0 4
dQ/dt o dW/dt 0 1
NTEBI
balance de masa -11 -11
balance de energia 0 -1
NTVCIE
composicion -11 -11
flujo total -2 -2
temperatura 0 -2
dQ/dt o dW/dt 0 0
NTRSAI
divisor 0
grados de libertad -20 -17
Tabla de Anlisis de grados
de libertad
SIGLAS
NTVCC
NTEBI
NTVCIE
NTRSAI
numero total de variables de corriente integras de entrada
numero total de reacciones impuestas
SIGNIFICADO
numero total de variables de corriente conocidas
numero total de variables de corriente conocidas independientes que se especifiquen
-
49
Se dise un algoritmo en Matlab:
Obtencin del polinomio en funcin de T
1 syms T
2 Cp1=(36.11e-3)+(4.233e-5)*T+(-2.887e-8)*(T^2)+(7.464e-12)*(T^3); 3 H1=int(Cp1,T,350);
4 Cp2=(28.95e-3)+(0.411e-5)*T+(0.3548e-8)*(T^2)+(-2.22e-12)*(T^3); 5 H2=int(Cp2,T,350);
6 Cp3=(38.91e-3)+(3.904e-5)*T+(-3.104e-8)*(T^2)+(8.606e-12)*(T^3); 7 H3=int(Cp3,T,350);
8 Cp4=(37.66e-3)+(4.151e-5)*T+(-2.694e-8)*(T^2)+(10.57e-12)*(T^3);
9 H4=int(Cp4,T,350); 10 Cp5=(36.07e-3)+(3.97e-5)*T+(-2.88e-8)*(T^2)+(7.87e-12)*(T^3);
11 H5=int(Cp5,T,350); 12 Cp6=(29.10e-3)+(1.158e-5)*T+(-0.6076e-8)*(T^2)+(1.311e-12)*(T^3);
13 H6=int(Cp6,T,350); 14 H7=int(Cp7,T,350);
15 H7=int(Cp6,T,350); 16 Cp9=(11.18e-3)+(1.095e-5)*T+(-4.891e2)*(T^2);
17 H9=int(Cp9,T,350); 18 H10=104.85;
19 H11=2737.17; 20 Cp8=(33.46e-3)+(0.688e-5)*T+(0.76043-8)*(T^2)+(-3.593e-12)*(T^3);
21 H8=int(Cp8,T,350);
22 Cp7=(29e-3)+(0.2199e-5)*T+(0.5723e-8)*(T^2)+(-2.871e-12)*(T^3); 23 H7=int(Cp7,T,350);
24 H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7+H8+H9+H10+H11
-
50
Para encontrar el valor de T, usamos una hoja de clculo, en donde dimos un valor a T y
de ah nos fuimos aproximando hasta que la igualdad diera 0.
Obtencin de temperatura 1 por polinomio en Matlab
2000 1500 1600 1800 1700 1650 1625 1624 1624.5
6.14221E+12
-1.5097E+12
-3.16827E+11
2.5553E+12
1.0349E+12
3.3855E+11
5819428348
-7278974563
-731788866.3
Observamos que entre los valores para T de 1624 y 1625 el valor de la funcin es 0, por
lo tanto aproximamos T a 1624.6C.
25 H =
T*(T*((4891*T)/30 - 6463739123427827/1180591620717411303424) - 559/50000) - ((T - 350)*(382375177238643136250*T^2
- 214705225563558125*T^3 + 928820931012105168087500*T +
11524576118764161483308639464))/386856262276681335905976320000 - ((T - 350)*(15222793920587409375*T^3 -
68948424484917222718750*T^2 + 129449987554121473066037500*T +
324385603250340431295684442248))/7737125245533626718119526400000 - ((T - 350)*(43312427124497240625*T^3 -
208211456344981767381250*T^2 + 418394757744414044546162500*T +
984600943059202697965045169912))/23211375736600880154358579200000 - ((T -
350)*(3075886404236647857250*T^2 - 1332797194795622625*T^3 + 3118232851274240202837500*T +
54941773206860026029105028744))/1856910058928070412348686336000 - ((T - 350)*(2028674239378916875*T^3 -
11826170147380663573750*T^2 + 31699204585728524364867500*T +
191214997321027813525526199592))/6189700196426901374495621120000 - ((T - 350)*(61336060383967828125*T^3 -
186970532980287151356250*T^2 + 416312416870050772442912500*T +
1019849756144906916968163467672))/23211375736600880154358579200000 + ((T - 350)*(83398473021606965625*T^3 +
224053839284420965610419269968750*T^2 + 78418843430158807828018624425062500*T +
27446592093945054153144718689419634872))/92845502946403520617434316800000 - ((T -
350)*(49939274897296790625*T^3 - 222681621407309886481250*T^2 + 375147486885890707705962500*T +
1034456250321201994503179191672))/23211375736600880154358579200000 -
773662126579784334837018541166827/110680464442257309696000
26 simplify (H)
27 ans =
- (33593978846087363*T^4)/4951760157141521099596496896 +
(6000377216053723628643685211*T^3)/36267774588438875241185280 -
(468220275593283899*T^2)/4722366482869645213696 - (7011*T)/25000 -
823251411393733119854934736037800523291/116056878683004400771792896000
Polinomio Simplificado:
28 -(6.784249999e-12*T^4)+(1654.465234*T^3)-((9.91495e-5)*T^2)-0.28044*T-7.093516741e12=0
-
51
Clculo de la entalpa de los gases de combustin a la entrada.
Frmulas + +
Construimos una tabla con las constantes para calcular el Cp promedio de cada
componente de entrada:
Aplicamos nuestra frmula para calcular Cp promedio, la cual consiste en multiplicar cada
Cp de cada compuesto por su respectivo caudal. Esto lo hacemos fcilmente en una hoja
de clculo y obtenemos:
+ + Aplicamos la frmula para entalpa:
( )
Clculo de Q
Clculo de la entalpa a la salida de los gases de combustin
Tenemos nuestro balance energtico:
De aqu despejamos H4
( ) ( ) ( )
Con esto calculamos todas nuestras incgnitas y concluimos nuestro balance de
energa.
Gases de Combustin T1 T2 Tref a b c d Cp prom (25-1624.6)Cp prom (25-350)
CO2 1624.6 350 25 3.61E-02 4.23E-05 -2.89E-08 7.46E-12 12.7521357 10.2449138
CO 1624.6 350 25 2.90E-02 4.11E-06 3.55E-09 -2.22E-12 7.90960448 7.134678852
SO2 1624.6 350 25 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 12.6065258 10.74705409
NO 1624.6 350 25 2.95E-02 8.19E-06 -2.93E-09 3.65E-13 8.13530532 7.38801119
NO2 1624.6 350 25 3.61E-02 3.97E-05 -2.88E-08 7.87E-12 12.3447052 10.11934715
O2 1624.6 350 25 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 8.28156552 7.413920981
N2 1624.6 350 25 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 7.83992427 7.082044644
H2O 1624.6 350 25 3.35E-02 6.88E-06 7.60E-10 -3.59E-12 8.58100952 8.303673955
C 1624.6 350 25 1.12E-02 1.10E-05 -4.89E+02 -1.0445E+11 -5138719976
-
52
T1=
1624.6
C
H1=
4.4
e6
H4=
4403
994
.95
1 K
j/kg
Q=
35
583
2.1
kJ/m
in
Bala
nc
e g
en
era
l d
e e
ne
rga
.
-
53
CONCLUSIN
Todos los resultados obtenidos parecen lgicos, aceptables comparados con los
datos reportados para calderas en la bibliografa consultada.
La eficiencia de una caldera, dicho de manera simple, corresponde a la razn
entre el calor absorbido y el calor liberado en el equipo. La diferencia entre el
calor liberado y el calor absorbido corresponder a las prdidas de calo