vapor y sus instalaciones

InstalacionesIndustriales

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UNIDAD N IV GENERACION DE VAPOR

INTRODUCCION El vapor es utilizado en la industria para dos grandes funciones. Para la generacin de energa elctrica o para fines de calentamiento y calefaccin. En este apunte se har ms hincapi al segundo grupo de calderas, dado que la generacin de energa elctrica es una disciplina especfica muy alejada el espritu de esta materia. Como calderas de calefaccin, las calderas de tipo acuotubular, son prohibitivas por precio y dificultad de operacin. Esto hace que si bien se mencionarn en la clasificacin general y se las describir brevemente junto con todos sus accesorios, como sobrecalentadores, economizadores, recalentadores, etc., no se profundizar sobre las mismas, dado que excepto para casos muy aislados, la mayora de las calderas industriales utilizadas para calentamiento son de tipo humotubular. DEFINICIONES DE CALDERA Las siguientes definiciones se encuentran frecuentemente en leyes estatales y/o cdigos de calderas referentes a requisitos de instalacin o inspeccin, as como leyes de ingeniera para operar este tipo de equipos. Una caldera es un recipiente a presin cerrado, en el que se calienta un fluido para uso externo del mismo por aplicacin directa del calor resultante de la combustin de combustibles (slidos, lquidos o gaseosos) o por utilizacin de la energa nuclear o elctrica. Una caldera de alta presin es aquella que genera vapor a una presin mayor de 15 psig (1,05 Kg/cm ~ 1,03 bar) manomtricos. Por debajo de esta presin se clasifican como calderas de vapor de baja presin. Las pequeas calderas de alta presin se denominan calderas miniatura segn la normativa de Estados Unidos. De acuerdo a la seccin I del cdigo de calderas y recipientes a presin de la ASME (American Society of Mechanical Engineering), Una caldera miniatura de alta presin es una caldera de alta presin (mayor a 15 psig) que no excede de los lmites siguientes: 16 (406,4 mm) de dimetro interior de virola (o chapa envolvente cilndrica); 5 pies cubicos (0,1415 m) de volumen bruto de virola y aislamiento; y 100 psig (7 Kg/cm efectivos o manomtricos) de presin. Si se exceden estos lmites, se trata de una caldera de potencia. Los requerimientos de soldadura para este tipo de caldera, son menos severos que para las grandes. Una caldera de potencia, es una caldera de vapor de agua o de fluido que trabaja por encima de 15 psig (1,05 Kg/cm) y excede el tamao de una caldera miniatura. Esto tambin incluye el calentamiento de agua caliente o calderas de agua caliente que funcionan por encima de 160 psig (11 Kg/cm) o 250F (121C). Las calderas de potencia tambin se llaman calderas de alta presin. Una caldera de calefaccin por agua caliente es una caldera que no genera vapor, pero en la cual el agua caliente circula con propsitos de calefaccin y despus retorna a la caldera y que trabaja a presiones que no exceden de 160 psig (11Kg/cm) o de una temperatura de agua no mayor de 250 F (121C) en o cerca de la salida de caldera. Estos tipos de caldera se consideran calderas de calefaccin de baja presin y se construyen segn la seccin IV del cdigo ASME de calderas. Si se exceden las condiciones de presin o temperatura, las calderas deben disearse como de alta presin comn bajo las especificaciones de la seccin I del cdigo.

Ing.MatasIssouribehere

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Una caldera de suministro de agua caliente, o mas brevemente dicho, una caldera de agua caliente, est completamente llena de agua y suministra agua caliente sin retorno a la caldera. Las condiciones de presin y temperatura, en cuanto a la seccin I o seccin IV son idnticas a las del prrafo anterior. Una caldera de calor perdido, tambin denominada caldera compuesta, utiliza subproductos trmicos como gases de hornos de laminacin o siderurgia, gases de escape de una turbina de gas o de un motor de combustin interna, o subproductos de un proceso de fabricacin. El calor residual se pasa por unas superficies de intercambio trmico para producir vapor o agua caliente para uso convencional. CLASIFICACIONES DE CALDERA A continuacin se indicarn diferentes formas de clasificar o dividir a las calderas, segn diferentes aspectos. Estas clasificaciones sirven a los fines de estudio para su mejor comprensin. De todas maneras una misma caldera puede ser clasificada segn las definiciones dadas a continuacin, en diferentes grupos, segn la forma en que se las divida. As tenemos una primera forma de clasificar a las calderas que es la ms difundida y general, que analiza el principio de funcionamiento.

Por la forma de circulacin de sus fluidos dentro y fuera de los tubos:

a) Calderas humotubulares (o pirotubulares): En estas calderas son los humos los que circulan por dentro de tubos, mientras que el agua se calienta y evapora en el exterior de ellos. Todo este sistema est contenido dentro de un gran cilindro que soporta la presin.

b) Calderas acuotubulares: Por dentro de los tubos circula el agua y la mezcla de agua y vapor. Por fuera, generalmente en flujo cruzado, intercambian calor los humos productos de la combustin. En este tipo de calderas adems, el hogar (recinto donde se produce la combustin) est conformado por paredes de tubos de agua. En ellas el intercambio es bsicamente por radiacin desde la llama.


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De acuerdo a la presin de trabajo de la caldera (presin de vapor generado):

a) Calderas de baja presin: Calderas que producen vapor a baja presin, hasta unos 4 o 5 kg/cm2. Este rango de presiones es mas comn en las calderas de agua caliente que en las calderas que generan vapor.

b) Calderas de media presin: Generalmente producen vapor saturado hasta una presin no superior a 20 Kg/cm. La utilizacin de este vapor, es por lo general, para uso de la industria como fuente de calor.

c) Calderas de alta presin: Asociadas a ciclos de potencia para la produccin de energa elctrica, trabajan con presiones superiores a 20 Kg/cm, hasta presiones cercanas a la crtica. (225,56 atm. y 374,15 C)

d) Calderas supercrticas: Este tipo de calderas excluyentes de las grandes plantas de generacin elctrica, trabajan con vapor por encima del punto crtico. Esto hace que no exista agua en estado lquido y que el comportamiento del vapor sea el de un gas. Las exigencias de este tipo de instalaciones son extremas.

Clasificacin de acuerdo a la produccin de vapor a) Calderas chicas: Producen hasta 1 o 2 toneladas de vapor saturado por hora. b) Calderas medianas: Producciones de hasta aproximadamente 20 toneladas de

vapor por hora. Las calderas chicas y medianas, casi en su totalidad, son calderas humotubulares de baja y media presin.

c) Calderas grandes: Calderas que producen desde 20 toneladas de vapor por hora, siendo normal encontrar producciones de 500 y 600 toneladas por hora de vapor sobrecalentado. Son de manera excluyentes calderas acuotubulares.

Clasificacin de acuerdo al combustible utilizado

a) Calderas de combustibles lquidos: Se fabrican Generadores de Vapor de todo

tipo y tamao que utilizan combustibles lquidos. Requieren de instalaciones de almacenaje y tanques de servicio, de elementos de precalentamiento del fuel y de sistemas de bombeo y transporte. La viscosidad de estos combustibles vara desde


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30 40 cSt (100C) en los fuels de baja viscosidad hasta 700 cSt (100C) y ms para combustibles de alta viscosidad, como los utilizados en sistemas de generacin elctrica. En las plantas industriales en general se utilizan fuels de viscosidad del orden de 380 - 450 cSt (100C). Es normal tener que precalentarlos a 30 40C para reducir su viscosidad y poder bombearlos hasta los quemadores. Para una buena atomizacin del combustible en quemadores que no utilicen vapor para atomizar se requiere una viscosidad de 25 a 30 cSt (100C), y utilizando atomizacin con vapor se pueden manejar viscosidades entre 55 y 70 cSt (100C), por lo tanto es necesario precalentar el combustible a temperaturas desde 80 a 130 C en el quemador. En unidades grandes es comn arrancar con un combustible de baja viscosidad y luego pasar a utilizar uno ms viscoso. Los quemadores que utilizan combustibles lquidos se instalan generalmente horizontales. Hay algn tipo de quemadores de ngulo regulable para poder variar el intercambio por radiacin en el hogar. La turbulencia del aire que entra al quemador es importante para obtener una correcta combustin y un largo de llama apropiado, de tal manera que no dae las paredes de refractario o las paredes de tubos de agua y al mismo tiempo asegure una combustin completa de todas las gotas de fuel. Para esto es fundamental el dimensionamiento correcto del tamao del hogar.

b) Calderas de combustible gaseosos: Utilizan tanto gas natural como GLP. Generalmente los quemadores de gas trabajan con muy baja presin, por lo que es comn que tengan sistemas de reduccin de presin importantes. Es importante lograr una buena mezcla de aire-gas. Con los combustibles gaseosos el riesgo de explosiones por acumulacin de combustible no quemado es grande, por lo que es sumamente importante preveer las medidas de seguridad adecuadas. La posicin de los quemadores de gas es similar a la de los que utilizan combustibles lquidos. Es comn utilizar quemadores duales, que permitan el uso de uno u otro combustible, dependiendo de su disponibilidad y costo. La emisividad de las llamas de estos combustibles es diferente, por lo que el intercambio por radiacin resultar distinto segn el combustible utilizado, Lo mismo ocurre con la temperatura de los humos a la salida del hogar y con las condiciones de intercambio en las zonas convectivas de la caldera. Son factores que hay que tener en cuenta, ya que modifican los resultados obtenidos en el equipo. De cualquier manera el fuel oil y el gas natural son de los combustibles ms fcilmente intercambiables.

c) Caldera de combustibles solidos: Los combustibles slidos utilizados son muy variados: lea en todos los tamaos (rolos, astillas, chips), deshechos de produccin (pellets de madera, aserrn, bagazo de caa de azcar, cscara de arroz), carbn (en distintos grados de pulverizacin), etc. Cada uno requerir una tecnologa apropiada para poder quemarlos de la mejor manera, desde molinos para pulverizarlos finamente hasta grillas muy sofisticadas. El diseo del hogar para estos combustibles es sumamente complejo, teniendo que considerar el ingreso de aire suficiente y su correcta mezcla con el combustible, la permanencia de las partculas en el hogar para quemarse completamente y la disposicin de las cenizas entre otros factores. En general resultan hogares de mayor volumen que los utilizados en caleras de combustibles lquidos y gaseosos. Los combustibles pulverulentos, finamente molidos se inyectan en el hogar mediante toberas apropiadas. Hay algn tipo de combustible que se quema en un lecho fluidizado, regulado mediante el ingreso de aire a distintas alturas del hogar. (Este sistema se utiliza tambin en las calderas de recuperacin de la industria de la celulosa). En el caso de combustibles no pulverulentos, el diseo de las grillas que los sostienen durante la combustin es de fundamental importancia. En pases desarrollados se utilizan calderas que queman los residuos slidos urbanos.


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Clasificacin de acuerdo a la circulacin del agua dentro de la caldera

Es una clasificacin que tiene sentido en las calderas acuotubulares, en las

humotubulares la circulacin del agua en el interior es siempre por conveccin natural.

a) Circulacin natural: La circulacin del agua y de la mezcla agua-vapor ocurre naturalmente debido a la diferencia de densidades entre el agua ms fra y la mezcla de agua- vapor (efecto sifn). Implica entonces tener un circuito cerrado por donde circula el agua y una diferencia de altura apreciable entre las partes altas y bajas del equipo. Los generadores chicos, los de potencia mediana y una buena parte de los grandes generadores de vapor son de circulacin natural.

b) Circulacin asistida: En este caso la circulacin natural en los tubos de la caldera es complementada por bombas instaladas en el circuito. En este caso tambin la caldera consiste en un circuito cerrado, pero permite construcciones ms compactas incluso con tubos inclinados. Se utiliza en aquellos casos en que la diferencia entre las densidades del fluido fro y del caliente no es demasiado grande, tpicamente para presiones superiores a los 140-160 bares. Brindan una respuesta ms rpida ante variaciones en la demanda de vapor que los de circulacin natural, pero las bombas trabajan con agua caliente y a altas presiones, son ms costosas y requieren importantes mantenimientos. En general se debe instalar un sistema de respaldo para evitar la parada de toda la caldera por salida de servicio de la bomba.

c) Circulacin forzada: Este tipo de calderas tiene una concepcin distinta, se trata de un circuito abierto y no cerrado. La bomba impulsa el agua a travs de una primera superficie de intercambio donde se precalienta, luego pasa a un segundo intercambiador donde se vaporiza y luego, en algunos casos, pasa a un tercer intercambiador donde se sobrecalienta. A diferencia de las anteriores no hay una masa de agua circulando sin vaporizarse, la bomba entrega toda el agua que se vaporiza. No hace falta resaltar la importancia de la bomba en este diseo, un paro de la bomba implica un paro de la caldera.

Clasificacin de acuerdo al intercambio de calor

Hay que aclarar previamente que no es una clasificacin estricta, refiere al tipo de

intercambio predominante que se da en las superficies de vaporizacin (se excluyen los intercambios en las superficies de recuperacin: precalentadores y sobrecalentadores). En todas las calderas se tienen intercambios por radiacin y por conveccin, difcilmente se encuentre uno solo de estos tipos.

En el hogar el intercambio es predominantemente por radiacin desde la llama, pero hay zonas del mismo donde se puede producir intercambio por conveccin desde el flujo de humos (por ej. en la ltima parte del hogar de una caldera humotubular). As mismo en las restantes superficies de intercambio (tubos de humos), adems del intercambio convectivo, podemos tener radiacin desde los gases a alta temperatura.

a) Radiantes, o de radiacin total: Son aquellas calderas que solo tienen hogar, y

all practicamente todo el calor es intercambiado por radiacin. En general se trata de calderas acuotubulares grandes, donde los tubos en donde se genera el vapor conforman las paredes del hogar. Las altas temperaturas que se tienen en la combustin hacen que se tenga un intercambio muy importante de calor por radiacin. Adems estas calderas trabajan a presiones elevadas, con lo que el calor de vaporizacin necesario es relativamente bajo, y al utilizar agua de


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alimentacin previamente calentada hasta temperaturas muy cercanas a la de saturacin, se consigue que las paredes de tubos del hogar sean suficientes para transferir todo el calor de vaporizacin necesario.

b) Convectiva (o recuperadoras): De sus siglas en ingles, (Heat Recovery steam generador) HRSG, no poseen cmara de combustin dado que aprovecha el flujo de calor proveniente de un proceso anterior (hornos de fundicin, hornos de vidrio, turbinas de gas, motores diesel, etc.)

c) De calentamiento indirecto: Son calderas de fluido trmico, (aceite que permite obtener altas temperaturas a presin atmosfrica, sin necesidad de cambio de estado) con el mismo se produce vapor. El fluido trmico se encuentra en un circuito cerrado y se recircula.

CARACTERISTICAS DE UNA CALDERA Para caracterizar a una caldera se emplean los siguientes parmetros:

La superficie de caldeo o superficie de calefaccion, es la superficie de caldera que tiene una cara baada por el agua y la otra por los gases o llamas.

La vaporizacin especfica, expresada por la cantidad agua (en Kg) que vaporiza, en una hora, cada metro cuadrado de superficie de caldeo.

El consumo especfico del quemador, es la cantidad en peso de combustible quemado en una hora por cada m de hogar. Tambin se suele utilizar la cantidad de combustible por cada m de superficie de intercambio del hogar.

El rendimiento, expresado por la relacin entre el nmero de Kilocaloras tiles que contiene el vapor producido y el poder calorfico del combustible consumido para obtener el primero.

La capacidad, expresada por la cantidad de calor total transmitido por la superficie de calefaccin.

Como la transmisin de calor se realiza a flujo constante, el calor trasnmitido resulta

igual a la variacin de la entalpa del lquido. Por consiguiente:

Q = v (hv - ha) En la cual: Q es la capacidad de la caldera expresada en Kcal/hora. v es el peso del vapor producido por la caldera en Kg/hora. hv es la entalpa de 1 Kg de vapor a la presin y ttulo obtenido en la caldera, expresado en Kcal/Kg. ha es la entalpa de 1 Kg de agua de alimentacin en las condiciones en que ingresa a la caldera, expresado en Kcal/Kg. Cuando v representa el peso de vapor que la caldera puede producir con ms eficiencia, la expresin anterior da la llamada capacidad normal; cuando representa la mxima cantidad de vapor que se puede producir se habla de la capacidad mxima.

La potencia evaporadora expresa la cantidad de agua a una determinada temperatura que la caldera convierte en vapor a una presin dada y durante un cierto periodo de tiempo.


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El factor de vaporizacin expresa la relacin entre el calor absorbido por 1 Kg de agua de alimentacin en las condiciones reinantes en la caldera y el calor absorbido por 1 Kg de agua a 100C al evaporarse a esa temperatura.

Por el contrario la vaporizacin equivalente se define como el peso de agua a 100C que se evaporizara en una hora si absorbiese la misma cantidad de calor que en las condiciones observadas en la caldera.

CALDERAS HUMOTUBULARES Si hacemos un breve repaso de la historia de las calderas, desde la antigedad los egipcios y los griegos utilizaban el vapor, pero recin durante la revolucin industrial, con el desarrollo de las mquinas de vapor debieron fabricarse calderas industriales que producan vapor a presiones superiores a la atmosfrica. Las primeras calderas de vapor a presin superior a la atmosfrica, fueron de tipo humotubular, con un solo tubo de fuego central que atravesaba la envuelta de la caldera. Bsicamente haba dos tipos de calderas:

1. De hogar exterior, que solo circulaban por los tubos los gases de combustin y el hogar calentaba la parte inferior exterior del cuerpo cilndrico.

2. De hogar interior en donde existen tubos de fuego y tubos de humo en la segunda pasada.

CALDERA HRT

Las primeras calderas de este tipo llamadas HRT (horizontales pirotubulares con retorno), posean una envuelta de acero roblonado con un hogar exterior generalmente de carbn y luego de la caja de humos se haca circular por dentro del recipiente, un solo paso de tubos de humos. A continuacin los gases eran conducidos a la chimenea. Dado el excesivo peso de la misma, se construa una estructura metlica que la soportaba independientemente de la pared de mampostera de refractario que la aislaba trmicamente.


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CALDERA ECONOMICA

La caldera de tipo econmica fue una adaptacin de la caldera HRT que da algo ms de superficie de calefaccin por metro cuadrado de espacio ocupado en planta. Una ventaja adicional es que la cantidad de ladrillo refractario y obra es rnucho menor ya que la caldera es autoportante en su armazn. Las zonas delantera y trasera estn soportadas por unas curvas o castilletes bajo la virola. Las calderas de este tipo pueden transportarse como una unidad con las paredes del hogar en su posicin encastradas en un armazn de acero. Los principios de construccin, conexiones de tubos y circulacin son esencialmente los mismos que los de la caldera HRT. Tambin las limitaciones prcticas de presin y capacidad son similares.


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CALDERAS MARINAS ESCOCESAS (SM)

El mayor nmero de calderas en uso hoy en da, en plantas comerciales y pequeas plantas industriales, son las calderas marinas escocesas (SM). Esta caldera fue usada originalmente para servicio marino, porque el hogar forma parte integrante del conjunto de la caldera, permitiendo una construccin mas compacta que requiere poco espacio para su capacidad de produccin. La caldera SM est soldada como una unidad compacta que consta de un recipiente de presin con quemador, controles, ventilador de tiro, controles de tiro y otros componentes ensamblados en una unidad completamente probada en fbrica. La mayora de los fabricantes prueban sus modelos como un conjunto solidario antes de su expedicin y transporte a su destino; bsicamente entregando un producto que est prediseado y listo para una conexin e instalacin rpida a los servicios de agua, electricidad y combustible.

Algunos fabricantes dan un servicio de puesta en marcha como parte del precio de compra. Un especialista entrenado en fbrica pone en marcha la unidad, reajusta los controles, comprueba la unidad en marcha, hace los ajustes necesarios y ensea a los operadores para que no tengan problemas con el control. La caldera SM (de hogar interior y tubos de humos) est construida como un hogar de fondo seco, como se muestra en la figura siguiente (a) o con un hogar de fondo hmedo como se muestra en la figura siguiente (b).


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En este tipo de calderas existen como mnimo los siguientes elementos principales a saber:

1. Cuerpo cilndrico: Es el recipiente que contiene el agua a presin que va a ser evaporada a la temperatura de saturacin correspondiente con dicha presin. El nombre se debe a que la forma ms eficiente de soportar la presin interna es con una seccin circular.

2. Hogar: Es el lugar en donde se produce la combustin del combustible. Dependiendo de que el combustible sea slido, lquido o gaseoso, es la configuracin y forma del hogar. Pero en todos los casos, se debe priorizar la mejor forma de mezclar el aire que se insufla en el mismo con el combustible, para lograr la mejor combustin posible.

3. Quemador: Es el elemento que permite quemar de manera eficiente el combustible, mezclndolo con el aire de combustin que suele ingresar precalentado para mejorar el rendimiento.

4. Haces de tubos de gases de combustin (humos): En general el hogar posee como mnimo un pasaje de gases, que canalizados en tuberas atraviesan la masa de agua contenida en el cuerpo cilndrico.

5. Cmara de humos: Tambin llamada fondo, es la cara opuesta al quemador de las calderas horizontales. Funciona como colector de los gases en la primera pasada, para orientarlos hacia el segundo paso.

6. Descarga a la chimenea: Es la salida del ltimo de los pasos, en donde va instalada la brida de acople de la chimenea.

7. Vlvula de seguridad: Se trata de una vlvula operada a resorte, que se encuentra calibrada para abrirse y liberar el exceso de presin, cuando la caldera supere los valores normales de funcionamiento. Esta vlvula, es uno de los elementos de seguridad principales en una caldera. Por norma, este tipo de vlvulas poseen una



palanca de prueba, que permiten efectuar la apertura del obturador cuando la presin de la caldera sea cercana a la de apertura de la vlvula.

8. Indicador de nivel: Este accesorio permite observar el nivel de agua en estado lquido que posee el cuerpo cilndrico. Es el segundo dispositivo de seguridad fundamental con que cuenta de manera obligatoria una caldera. La necesidad de observar este nivel se explicar mas adelante en este apunte.

9. Detector de llama: Este es el tercer elemento fundamental que hace a la seguridad de la caldera. El mismo suele ser un detector infrarrojo, que permite censar la existencia de llama en el quemador. Las razones de la presencia de este elemento como elemento de seguridad sern explicadas mas adelante.

10. Entrada de registro: Como todo recipiente de presin, la envuelta de una caldera esta obligatoriamente sujeta a inspecciones peridicas para controlar su estado. Esta tapa de registro permite que el inspector pueda ingresar a la misma para sus controles.

11. Domo: Este elemento es un cabezal colocado en lo ms alto del cuerpo cilndrico, es el lugar donde se realiza la conexin de salida de vapor a proceso. La razn de ser el punto mas alto, es la de asegurarse que no se extrae agua sin evaporar.

12. Zona de vapor dentro del recipiente: Se trata de la parte superior de la envuelta que posee el agua ya evaporada, recordar que durante el proceso de evaporacin, tanto el agua como el vapor se encuentran en equilibrio de presin y temperatura, en esas condiciones de saturacin.

13. Zona de agua dentro de la envuelta: Al igual que lo mencionado anteriormente, se trata de la masa de agua que an no se transform en vapor.

14. Cmara de aire de combustin: Es un dispositivo que permite insuflar aire, que aporta el oxigeno necesario, al quemador de combustible alojado en el hogar.

15. Purga de salida de lodos: Se trata de una conexin en el fondo de la envuelta, que permite extraer los lodos formados de todos los slidos disueltos inicialmente en el agua de alimentacin de la caldera.

16. Entrada de agua de alimentacin: Dado que el circuito de vapor se efecta en general de manera cerrada, exceptuando las prdidas inevitables, todo el vapor condensado una vez utilizado en el proceso, retorna a la caldera previo a pasar por un condensador. Este retorno se efecta mediante bombas, dado que para poder ingresar a la caldera debe poseer una presin mayor a la reinante en la misma. La reposicin de agua a la caldera posee adems, un ingreso de agua externa que repone el volumen perdido. Esta agua de alimentacin externa se debe tratar previo a su uso.

17. Manmetro: Otro elemento fundamental para la operacin segura de la caldera, es poder medir con la suficiente exactitud cual es la presin reinante dentro del recipiente.

18. Termmetros: La temperatura, es otra magnitud que suele medirse, aunque se infiere en realidad, dado que la presin y temperatura de saturacin son variables inamovibles.

A continuacin se muestra en esquema en donde se pueden apreciar todos los

elementos mencionados anteriormente.



Se denomina paso en una caldera humotubular, a la cantidad de veces que los gases atraviesan la masa lquida en uno u otro sentido. Una configuracin de cuatro pasos por ejemplo es la que se puede ver a continuacin. Gracias a esta configuracin el intercambio calrico es mejor, dado que el salto de temperatura no es tan grande y a medida que los gases se van enfriando siguen transfiriendo calor al agua. Esto hace que se reduzcan las dimensiones necesarias para obtener la misma masa de vapor que con una caldera de un solo paso.



La necesidad de construir la pared del tubo de fuego de forma corrugada, se debe a que se evita de esta manera las tensiones originadas al dilatarse el tubo. Es decir que el corrugado trabaja como un fuelle (similar a una junta de expansin). Por otra parte, esta forma aumenta la superficie de intercambio con relacin a un tubo de igual dimetro y longitud. Por ltimo, al tener esa forma, el tubo soporta mejor la presin exterior a la que est sometido y puede construirse de menor espesor que si fuese un tubo liso. CUERPO CILINDRICO Si analizamos este elemento, desde el punto de vista estructural, podremos comprender cul es la limitacin prctica a la presin que se puede desarrollar en las calderas humotubulares. Si tomamos un trozo elemental de cao, con una relacin dimetro/espesor mayor a 20, estamos dentro del modelo que se denomina tubos de pared delgada sometidos a presin. En las calderas humotubulares convencionales, siempre se cumple esta hiptesis. Por lo antes expuesto, vamos a continuacin a desarrollar las tensiones que se originan en la pared de este tubo. Lo primero que hacemos es estudiar una fraccin elemental de tubo de longitud dl, permetro ds y espesor t. En este cubo elemental existen las siguientes tensiones:



Si ahora partimos al tubo en dos mitades, podemos intentar determinar las tensiones tangenciales y longitudinales.

La fuerza con la que ambas mitades del tubo tienden a separarse entre s, y

que estn soportadas por las paredes del tubo, se puede determinar integrando las dF a lo largo de todo el permetro y en toda la longitud. De este podemos empezar a plantear:

dF = pi.dS = pi.r.d

Como es visible a simple vista, las componentes de la fuerza a integrar en el eje x, se anulan con su simtrica y solo debemos por ende computar la suma de las componentes verticales (eje y).

dFx = 0 ; dFy = dF. sen = pi.r.sen.d

Si integramos las dFy desde 0 hasta 180 podemos obtener el valor total de la fuerza que intensa separar ambas mitades.



ext0

senyF pr d

=

Fy = pi.r.(-cos ) = 2. pi.r

Si multiplicamos por la longitud obtenemos la fuerza total:

Fy = 2. pi.r.L = D.L.pi

La tensin en ambas paredes del tubo surge de dividir la fuerza por el rea

resistente:

t = Fy/2.t.L = D.L.pi / 2.t.l

Tprt

=

Si analizamos las tensiones en el otro sentido, debemos cortar el tubo en una seccin circunferencial, la presin interna genera una fuerza que intenta separar ambos tramos de tubo.

Area proyectada de ambos extremos = .D / 4 Fuerza longitudinal = pi. .D / 4

Area resistente = .D.t

Tensiones longitudinales = pi.D / 4.t

L 2prt

=

Del anlisis anterior, se puede concluir que las tensiones tangenciales son las que

limitan estructuralmente la envuelta de una caldera humotubular.



Del anlisis de un caso hipottico con valores, podremos apreciar que hay lmites lgicos, que hacen que las calderas humotubulares no puedan superar cierta capacidad de produccin y ciertos valores de presin. Ejemplo

Presin de operacin 25 Kg/cm Dimetro de la envuelta 400 cm adm = 1000 Kg/cm (tener en cuenta que es un proceso con alta temperatura)

tmin = 25*200/1000 = 5 cm 50 mm

Conclusin: Para estos espesores, el costo y dificultad de la mano de obra de calderera, sumado a los riesgos de operacin de un equipo de esta naturaleza, hace que con presiones de mas de 20 Kg/cm y para producciones de vapor por encima de 20 toneladas por hora, no es recomendable la fabricacin de calderas humotubulares. Lo anteriormente expresado se basa en un anlisis tcnico-econmico. Por otra parte, las aplicaciones industriales convencionales, exceptuando la generacin de energa elctrica, no requieren valores de temperatura tan elevados, ni tampoco exigen el uso de vapor sobrecalentado o recalentado. HOGAR Este elemento de la caldera es, como ya se ha dicho, el lugar en donde se produce la combustin para la generacin de vapor. Las necesidades de cada tipo de combustible, as como su preparacin, regulacin y dosificacin, dependen del estado de agregacin en que se encuentre. De aqu que los hogares de los combustibles slidos, lquidos y gaseosos son completamente diferentes. Hogares de combustibles slidos: Este tipo de combustibles en la Repblica Argentina, por suerte ha sido sustituido y prcticamente no se utiliza ms. De todas maneras se explicar, dado que en pases como China o la Unin Europea, que poseen bastas reservas de carbn mineral, estn desde hace ya ms de una dcada empezando a utilizar estos combustibles en tecnologas mejoradas en el uso del carbn pulverizado. De todas maneras, an con perfeccionamientos, este tipo de combustible es el que produce las mayores tasas de polucin, como ser las cantidades de CO2, las emisiones de SO2 (que es responsable de la lluvia cida) y la gran cantidad de cenizas. Este tipo de combustible es el que posee peores rendimientos energticos y la construccin del hogar se torna complicada y de grandes dimensiones. Existen dos grandes tipos de hogares para combustibles slidos: Esttico u ordinario Mecnicos.

En los hogares estticos, existe una parrilla o grilla que permanece fija (de all el nombre del hogar). Por una puerta que posee el hogar, se debe realizar la carga del combustible, mediante la pericia del fogonero. Existe otra puerta ubicada debajo de la anteriormente mencionada, que permite retirar las cenizas que van cayendo de la parrilla, a medida que se consume el combustible. El aire ingresa al hogar por la parte inferior y se lo fuerza a circular a travs de la parrilla. En la figura siguiente se puede observar un esquema de un hogar esttico, en donde se aprecian los elementos primordiales del



mismo. Este tipo de hogares estn completamente en desuso, dado que son muy poco eficientes y no se puede en ellos automatizar la alimentacin de combustible. La forma de garganta que forma la pieza llamada altar permite mejorar el tiraje. Estos hogares habitualmente eran de mampostera recubiertos en material refractario. En el piso del cenicero, se puede utilizar un espejo de agua, que a la vez de refrigerar funciona como superficie espejada que mejora la reflexin de las llamas. Esto era utilizado por los fogoneros a modo de espejo, para evitar abrir intilmente la puerta del hogar. Para ello era mandatorio colocar mirillas en la puerta del cenicero. Esta misma mirilla era usada para saber en qu momento el cenicero estaba lleno.

Los hogares mecnicos, se caracterizan por poseer una parrilla mvil y un sistema de alimentacin automtico del combustible. El sistema de alimentacin est constituido por una tolva que descarga el combustible slido, convenientemente molido o pulverizado, sobre el primer tramo de la parrilla mvil. El movimiento oscilatorio de la



parrilla permite que el mismo comience a descender a medida que avanza hacia el interior del hogar.

Para comprender un ejemplo muy grfico de nuestro pas, durante aos el conocido Ingenio Ledesma quemaba el bagazo de caa de azcar como combustible de sus calderas. Con el tiempo se comenz a fabricar papel, de all la creacin de la papelera homnima, lo que daba un mejor aprovechamiento del residuo de la fabricacin de azcar. Paralelamente a esta mejora para la empresa, el dejar de utilizar un combustible sucio y de pobre poder calorfico para utilizar combustibles como el gas natural o el fueloil, representa una sensible reduccin de la polucin. Hogar de combustibles lquidos: En este tipo de hogares, el combustible ms comnmente utilizado es el Fueloil (pesado o liviano). Los hogares de este tipo poseen en la entrada, un anillo de aire, con unas persianas regulables para dosificar la cantidad de aire de combustin insuflado al quemador. En el centro de este anillo se inserta la lanza del quemador, que posee un platillo para poder pulverizar y esparcir por todo el hogar las finsimas gotas de combustible a ser quemado. Una aclaracin importante con respecto a los combustibles lquidos, especficamente el fueloil, es que dada su naturaleza sumamente viscosa y densa es necesario dotar a estos quemadores de una serie de elementos adicionales para su uso. Estos elementos deben poder efectuar las siguientes tareas:

1. Como primera tarea, para poder bombear el fueloil desde su depsito hasta el sistema quemador, se debe precalentar hasta una temperatura no inferior a 40C (este valor depende de las caractersticas especficas del fueloil que se utilice).

2. Dada la naturaleza y procedencia de estos combustibles, es muy comn la presencia de contaminantes como slidos y presencia de agua entre otras impurezas. Esto obliga a dotar al sistema de bombeo de un buen sistema de filtrado.



3. Para poder lograr una combustin eficiente, se debe calentar a una temperatura lo ms prxima posible a la de inflamacin. Esto obliga a colocar una nueva estacin de calentamiento justo antes del arribo al quemador.

4. Una vez que el combustible filtrado y a la temperatura de quemado, llega a la lanza del quemador, se debe poder pulverizar en finas gotas. Esto permite la mezcla ntima con el flujo de aire de combustin, a la vez que se genera un torbellino que desarrolla una llama ms activa y larga. Esto ltimo asegura una mejor transferencia de calor por radiacin en la zona del hogar.

En la figura siguiente se puede apreciar una vista esquemtica de un quemador de este tipo con sus elementos principales.

VALVULAS DE SEGURIDAD

Las vlvulas de seguridad, son uno de los elementos de seguridad obligatorios en las calderas. Las mismas deben ir colocadas en el domo, ser como mnimo dos, instaladas mediante una vlvula de transferencia que permite tener una en servicio y la otra en stand by.



Estas vlvulas, por exigencia del cdigo ASME, deben ser de bonete ventilado (tipo yugo) y palanca de prueba. El bonete, es la parte de la vlvula que aloja el resorte. Que el mismo sea abierto, permite que la temperatura en el mismo se mantenga por debajo de ciertos valores. La sobrepresin mxima, alcanzada durante la apertura de la misma (disparo), no debe superar el 3% de la presin de regulacin (presin de timbre), para el caso de vlvulas individuales y del 6% para sistemas multiples. Esto ltimo est fijado en el ASME seccin I prrafo PG67.2.

La palanca de prueba, es un dispositivo que permite efectuar la apertura manual (para prueba) cuando la presin alcance como mnimo el 75% del valor de timbre. ORIFICIOS STANDAR API 526 La norma API 526, especfica de vlvulas de seguridad y alivio, establece 14 orificios normalizados para el rea de descarga. Los mismos se denominan con letras de la D a la T y se detallan sus valores en la tabla siguiente.

Orificio Area [cm] Orificio Area [cm] D 0,709 L 18,406 E 1,265 M 23,226 F 1,981 N 28,000 G 3,245 P 41,161 H 5,065 Q 71,29 J 8,303 R 103,226 K 11,858 T 167,742

En la prctica recomendada API RP-520, se dan las formulas de clculo para

obtener el rea de descarga necesaria, en funcin de la contingencia y el fluido considerado. Para el caso especfico del vapor de agua, se utiliza la formula de Napier modificada:

W Ao = 51,5*Kd*Kb*P1*Ksh

Donde: Ao: rea del orificio necesaria expresada en cm W: Caudal a evacuar expresado en [Kg/h] P1: Presin de clculo expresada en [Kg/cm abs]

P1 = PR + SP + Pa PR: Presin de regulacin (de timbre) expresada en [Kg/cm rel.] SP: Sobrepresin expresada en [Kg/cm rel.] Pa: Presin atmosfrica expresada en [Kg/cm] Kd: Coeficiente de descarga de la vlvula, que depende de cada tipo de vlvula. Su valor caracterstico, en caso de desconocer el valor exacto es 0,975 Kb: Coeficiente de correccin de contrapresin (si se desconoce se puede considerar 1. Ksh: Coeficiente de correccin por vapor sobrecalentado. Para vapor saturado el valor es 1.



SIMBOLO PARA ESQUEMAS DE TUBERIA El smbolo utilizado frecuentemente para los esquemas de tuberas, distingue entre vlvulas en ngulo y vlvulas en lneas. Ambos dibujos son aproximadamente los siguientes.

ASPECTO DE UNA VLVULA DE SEGURIDAD A continuacin se muestran fotos y esquemas de vlvulas de seguridad de tipo roscadas.

TUBOS DE NIVEL Y MIRILLAS Este es otro de los elementos de uso obligatorio en las calderas de tipo humotubular. La finalidad es conocer cul es el nivel de agua en estado lquido, existente en la envuelta de la caldera. Esto es de importancia vital, dado que si el nivel desciende por debajo de determinado valor, los tubos de humo de la parte superior pueden quedar fuera del agua. Esto representa un riesgo enorme, que le cost la vida a cientos de



personas en el siglo XIX. La explicacin es que los gases de combustin aportan calor a los tubos, para que estos calienten el agua. Simultneamente, es el agua la que enfra la pared de los tubos y evitan que estos colapsen. Si en alguna parte, el agua deja de refrigerarlos, la explosin de la caldera puede ser inminente y fatal. Estos niveles son generalmente construidos con tubos de vidrio de disposicin vertical. En la parte inferior de los mismos se conecta mediante una penetracin del cuerpo cilndrico con la parte superior del lquido. En la parte superior, se conecta el tubo de vidrio con la parte superior de la envuelta que contiene el vapor. A lo largo de todo el tubo de vidrio existe una escala graduada para poder leer el nivel con exactitud. En la imagen siguiente se puede apreciar un nivel de vidrio de caldera.

DETECTORES DE LLAMA Este es uno de los elementos de seguridad obligatorios y fundamentales en la buena operacin de una caldera. Bsicamente es el encargado de detectar, como su nombre lo indica, que exista una llama encendida y estable en el quemador de la caldera. El peligro de la falta de llama, estriba en que si se est inyectando combustible al quemador, y la misma se extingue por alguna causa, se llena el hogar de combustible sin quemar. En el pasado, con el origen de las calderas, este evento explicado anteriormente



dio lugar a explosiones y accidentes de muchsima gravedad, con gran cantidad de muertos. Como estos detectores no existan, el foguista que operaba la caldera, cuando observaba el apagado del quemador re-encenda la llama. Si el lapso entre que se apagaba la llama y que el foguista lo observaba era pequeo, la misma se re-encenda sin mayores inconvenientes. Pero si el tiempo de retraso entre uno y otro evento era largo, al intentar re-encender el quemador, sobrevena una explosin que poda en muchos casos hacer colapsar la estructura del hogar. Al colapsar el hogar, se produce del derrame del agua a alta presin y temperatura, que se vaporiza violentamente a causa de la despresurizacin repentina. Esto produce adems de los daos materiales, una expansin violenta de la masa de agua vaporizada y a alta temperatura, que ocasiona con seguridad la muerte de cualquier persona presente en el local. RADIACION DE LA LLAMA

Todas las llamas emiten radiacin electromagntica. El rango de radiacin visible abarca desde 350 nm hasta 800 nm. La radiacin de longitud de onda mayor a 800 nm se considera infrarroja (IR) y la de longitud de onda menor a 350 nm se considera ultravioleta (UV). Con algunos combustibles, tales como el carbn y el petrleo, la radiacin es visible; con otros combustibles, tales como el gas natural, la radiacin no es visible, o es apenas luminiscente. La figura siguiente muestra la distribucin espectral de la radiacin emitida por el gas natural y por el petrleo, adems de la radiacin terica emitida por un cuerpo negro a una temperatura de 1650C, que representa aproximadamente la emisin del hogar incandescente durante la operacin de la caldera.

PARPADEO DE LA LLAMA

Es bien conocido el hecho que todas las llamas parpadean adems de emitir una

radiacin continua. Este parpadeo o pulsacin de la llama se origina en la turbulencia de



la llama que es el resultado de la inyeccin de aire forzado en el quemador. Esto puede comprobarse fcilmente inyectando una corriente de aire en la llama de una vela. Normalmente, una llama de este tipo, sin aire forzado, no presenta parpadeo. Al soplar una pequea cantidad de aire en la llama, sta comienza a emitir un parpadeo de alta frecuencia perfectamente notable.

Es importante comprender que la seal que est siendo detectada es, bsicamente una seal de brillo (la componente de CC) a la que se le superpone una seal de parpadeo (la componente de CA) con una relacin de intensidades de 20 30 a 1. Esta relacin depende fundamentalmente del tipo de combustible y del tipo de quemador.

El parpadeo de la llama ha sido utilizado desde hace tiempo para deteccin de llama en pequeas calderas de un solo quemador. En estos casos, el parpadeo de baja frecuencia (10 a 20 Hz) es suficiente para discriminar la presencia de llama del brillo y la radiacin IR del hogar.

En realidad, el parpadeo de la llama presenta componentes de frecuencia entre 0 y 2kHz, particularmente en grandes calderas de mltiples quemadores. La figura siguiente muestra la amplitud de las frecuencias del parpadeo en una caldera tpica de mltiples quemadores. La curva superior representa la intensidad de las componentes de parpadeo con todos los quemadores encendidos y la curva inferior la amplitud de parpadeo proveniente de los quemadores adyacentes, es decir con el quemador bajo estudio apagado.

BOCA DE REGISTRO Todo recipiente sometido a presin (con o sin exposicin a fuego), segn las especificaciones del cdigo ASME, debe poseer una abertura pasa hombre para poder efectuar las inspecciones. Las dimensiones de esta abertura, cuando el dimetro del recipiente lo permita, son mnimas de 300mm x 400mm en aberturas elpticas u oblongas, o de 400mm para orificios circulares. En aquellos recipientes que no posean un dimetro mnimo como para efectuar una abertura de esta naturaleza, se efectan agujeros pasamanos para poder efectuar las inspecciones correspondientes. Para recipientes de entre 450mm y 900mm de dimetro nominal, la boca de registro pasa hombre, puede ser sustituida por orificios pasa mano. Para recipientes de 900mm o mas es obligatorio el orificio pasa hombre. Para dimetros menores a 400mm y



mayores a 300mm, es obligatorio la existencia de orificios pasa mano a menos que se instalen dos conexiones roscadas de un dimetro mnimo de 1.1/2 DN40. En las fotos siguientes se pueden apreciar algunas bocas de registro Manhole tpicas.

MANOMETROS Este es uno de los elementos fundamentales y obligatorios para la operacin segura de la caldera. Dado que se instalan en la parte superior de la caldera (zonas altas que en algunos casos superan los 5 metros), se trata de instrumentos de gran dimetro (10 o 12) con nmeros de gran tamao para poder ser ledos a distancia. Se trata de instrumentos mecnicos (a tubo burdn), que no poseen la posibilidad de emitir la seal de presin a los sistemas de control. Esto no significa que no puedan colocarse transductores electrnicos de presin, para poder efectuar la comunicacin a los sistemas automticos de gestin de la caldera. CONCEPTO DE CLASE Todos los instrumentos de medicin, poseen un error admisible de indicacin que se denomina clase. En el caso particular de los manmetros mecnicos a tubo burdn, la clase, es un porcentaje que indica el mximo error en ms o menos en relacin a los valores nominales. As por ejemplo, si poseemos un manmetro de 10 bar de presin a fondo de escala de clase 1,6. A continuacin determinaremos el error mximo en cualquier zona de la escala.

Fondo de escala 10 bar Clase 1,6

Error mximo 10*1,6/100 = 0,16 bar

Esto ltimo significa que si el instrumento funciona bien y la seal de presin es de 5,8 bar, el manmetro indicar un valor entre 5,64 bar y 5,96 bar. A continuacin se muestran fotos de manmetros de caldera tpicos.



OPERACION DE UNA CALDERA HUMO TUBULAR Lo primero que se debe observar, en la operacin de una caldera, es que persona es la autorizada para su puesta en marcha y utilizacin. Dado que estos equipos poseen un gran riesgo potencial de explosin y teniendo en cuenta adems, la gran deflagracin que produce la despresurizacin violenta e incontrolada de una masa grande de vapor, es que la persona que puede operar estos equipos debe estar fuertemente capacitada para la tarea. El oficio de quien opera la caldera se denomina Foguista, y dentro de los mismos, existen tres categoras. Cada categora delimita el tamao y presin mxima de vapor con la que pueden trabajar. A continuacin se resume lo que estipula el decreto 977/74 de la ex municipalidad de la ciudad de Buenos Aires. Decreto 977/74 (MCBA) Buenos Aires, 20 de febrero de 1974 BM: 05/03/74 (CBA) Ciudad de Buenos Aires. Calderas. Caldera de vapor de agua. Puesta y mantenida en funcionamiento. Personas autorizadas. Reglamento para la Concesin de la Matrcula de Foguista. Carnet habilitante. Artculo 1.- Con el efecto de actualizar el procedimiento por el que se otorgan permisos para desempearse como Foguistas de Calderas a Vapor de Agua, crase un nuevo cuerpo reglamentario cuyo texto es el siguiente: 1.1 Toda caldera de vapor de agua deber ser puesta y mantenida en funcionamiento por personas que posean matrcula expedida por la Direccin General de Fiscalizacin Obras de Terceros, que lo acrediten como Foguista de Calderas.



2.1 Se establecen tres (3) categoras de Foguistas Profesionales: a) Foguista de calderas de 1ra. Categora b) Foguista de calderas de 2da. Categora c) Foguista de calderas de 3ra. Categora 2.2 Se establece una categora de foguista no profesional". 2.3 Los Foguistas Profesionales de 1ra. Categora estn habilitados para la atencin de cualquier generador de vapor de agua, sin limitacin de superficie de calefaccin o presin de trabajo. 2.4 Los Foguistas Profesionales de 2da. Categora estn habilitados para la atencin de generadores de vapor de agua hasta una superficie de calefaccin en conjunto de 70 m2 y con presiones de trabajo no mayores de 8 Kg/cm2. 2.5 Los Foguistas Profesionales de 3ra. Categora estn habilitados para la atencin de generadores de vapor de agua hasta una superficie de calefaccin en conjunto de 30 m2 y presiones no mayores de 6 Kg/cm2. 2.6 Los Foguistas de categora "no profesional` estn habilitados para la atencin de generadores de vapor de agua de hasta una superficie de calefaccin en conjunto de 10 m2 y presiones no mayores de 5 K/cm2, no pudiendo sobrepasar la superficie de calefaccin de cada generador los 5 m2. 2.7 En ningn caso un foguista, cualquiera sea a categora, podr tener a su cargo ms de dos (2) calderas, debiendo encontrarse las mismas en un nico ambiente. SECUENCIA DE ENCENDIDO Y APAGADO DE UNA CALDERA De lo anteriormente explicado, uno de los mayores riesgos en la operacin de una caldera, se produce en los ciclos de encendido y apagado de la misma. Es por esta razn que se monitorea la llama y que existen sistemas automatizados de encendido y apagado del quemador. El proceso de apagado de la caldera, ante la eventual perdida de llama, consiste en cortar el suministro de combustible. Para esto se cierra la vlvula de alimentacin y se detiene la bomba. Luego de un tiempo programado, cuando el forzador de aire evacu todos los gases combustibles que pudieran haberse acumulado en el hogar, se detiene el ventilador. Para el proceso de encendido de la caldera, se enciende primero el ventilador, luego se enciende la bomba, se abre la vlvula de alimentacin y se utiliza un elemento (generalmente un piezoelctrico) para generar la chispa de encendido. CALDERA HUMOTUBULAR DE TUBOS VERTICALES CALDERA VERTICAL Este tipo de calderas se utilizan cuando el espacio disponible es mnimo. Se construyen en fbrica, son autoportantes y no requieren el uso de material refractario. Pueden utilizarse en instalaciones estacionarias o en instalaciones mviles. Tambin se utilizan en instalaciones marinas, en donde el ahorro de espacio es fundamental. Son competencia directa de las calderas de evaporacin rpida y poseen una eficiencia y aprovechamiento del calor bastante pobre. Estn constituidas bsicamente por una envuelta resistente que contiene el agua a evaporar, y haces de tubos verticales que comunican el hogar inferior con la chimenea que se ubica en la parte superior. Existen principalmente dos tipos de de calderas verticales:

Calderas de envuelta recta y parte superior seca Caldera de envuelta recta y parte superior hmeda



Las ventajas de estas calderas son las siguientes:

1. Compacidad y manejabilidad. 2. Bajo coste inicial. 3. Muy poca superficie requerida por cada HP de caldera. 4. No se precisa un basamento especial. 5. Instalacin rpida y sencilla.

Las desventajas de estas calderas son las siguientes:

1. El interior no es fcilmente accesible para limpieza, inspeccin o reparacin. 2. Posee un volumen de agua muy pequeo, que hace difcil poder mantener el nivel

de presin de vapor, en condiciones de carga variable. 3. La caldera es propensa a los arrastres (llevados por el vapor), cuando se trabaja a

plena carga, a causa del pequeo espacio de vapor. 4. El rendimiento y la eficiencia de estas calderas, sobre todo en pequeos tamaos,

es muy bajo. Esto se debe a que los gases de combustin tienen un recorrido muy corto y directo hacia la chimenea. Estos equipos desperdician mucho calor

CALDERAS ACUOTUBULARES



En las calderas acuotubulares, el agua se encuentra en el interior de los tubos y los humos circulan por su parte externa. Como el dimetro de los tubos es pequeo, estos pueden soportar altsimas presiones, en contraposicin con las calderas humotubulares que solo son adecuadas con bajas presiones. Por otra parte, la superficie de calefaccin, y por consiguiente la capacidad de la caldera, puede ser tan grande como se requiera con solo aumentar la cantidad y longitud de los tubos. Las calderas acuotubulares tambin se denominan de circulacin, por cuanto el agua circula por los tubos por gravedad (conveccin libre) o por circulacin forzada (bombeo mecnico). El proceso de circulacin natural puede ser explicado de la siguiente manera: Si al tubo en U de la figura siguiente solo se le calienta la rama AB, hasta que el agua entra en ebullicin, la mezcla del agua hirviendo y del vapor contenido en esta rama, adquirir un peso especfico (1) menor que el peso especfico (2) del agua no calentada.

Por efecto de esta disminucin del peso especfico, se producir un desequilibrio de los niveles de la superficie libre en ambas ramas que, con respecto al plano de comparacin MN, quedarn situados a las alturas h1 y h2, respectivamente. Por lo tanto, la presin hidrosttica en el punto B ser ahora:

PB = 1*h1 = 2*h2

Y como 1< 2 resulta que h1 > h2 Esta diferencia de alturas, es la que origina la circulacin natural; cuanto ms verticales sean los tubos, mayor ser la circulacin. Esta es la razn de la evolucin de las calderas acuotubulares de tubos inclinados a calderas de tubos verticales.



Aparecieron con el tiempo calderas con configuraciones particulares, como la de Stirling en el ao 1889, posea tres colectores, uno inferior para recolectar los lodos, uno intermedio lleno de agua y uno superior para recoger el vapor.

Modernamente aparecieron las calderas acuotubulares que no posean mampostera y que eran autoportantes. Esto se logra utilizando los tubos a modo de pared del hogar, soldando los tubos adyacentes entre s, para lograr la estanqueidad.



COMPARACION ENTRE CALDERAS ACUOTUBULARES Y HUMOTUBULARES Para poder efectuar la comparacin entre estos equipos, se debe tener presente que el campo de aplicacin de cada uno de ellos es diferente, razn por la cual solo podemos comparar en la pequea zona en donde se solapan y coexisten como alternativa de una misma aplicacin. Los parmetros que se toman como elementos de valoracin son los siguientes:

Rendimiento trmico. Mayor o menor facilidad de control. Costo inicial. Costo de mantenimiento. Tipo de combustible a utilizar. Espacio necesario para instalar la caldera de una potencia dada.

Con respecto al rendimiento trmico, el mismo depende fundamentalmente de la

superficie de calefaccin, esto hace que la caldera acuotubular resulte mucho ms eficiente que la humotubular.

Dado que la puesta en marcha de una caldera acuotubular es ms rpida, el ahorro de combustible hasta llegar a la situacin de rgimen es muy importante.

Con respecto al espacio ocupado, las calderas acuotubulares resultan mucho mas compactas. Poseen mejores tasas de vaporizacin especfica que pueden llegar a valores de 70 Kg de vapor por m y hora.

Las calderas acuotubulares son sumamente ms caras en su construccin, dada la complejidad y los materiales empleados.

La adaptabilidad de las calderas acuotubulares a la utilizacin de aguas duras es mnima, lo que redunda en mayores costos de tratamiento del agua de alimentacin de caldera.



El gran contenido de agua presente en una caldera humotubular, las hace mucho ms verstiles a las variaciones en la demanda de vapor.

La complejidad en los sistemas de control de una caldera acuotubular, exige un personal de mantenimiento y operacin foguistas con mejor instruccin.

RESUMEN DE ELEMENTOS DE SEGURIDAD FUNDAMENTALES EN UNA CALDERA A continuacin se analizan los elementos fundamentales necesarios para la operacin segura de una caldera de vapor de tipo humotubular.

Control de nivel de agua de caldera: Cuando el nivel de agua lquida existente dentro de la envuelta, se va de los lmites operacionales establecidos por el fabricante, se producen dos fenmenos distintos pero igualmente no deseados. Si el nivel desciende del mnimo establecido, los tubos de humo ubicados en la parte ms alta, pueden quedar fuera del agua y por ende alcanzar valores de temperatura inadmisible. Esto, de ms est decir, es altamente riesgoso por el peligro de colapso del tubo, expuesto a la presin externa del agua. Si esto ocurre, se produce la vaporizacin instantnea del agua, con una elevacin brusca de la presin que puede derivar en la explosin de toda la caldera. Si por el contrario el nivel de lquido sube por encima del mximo admisible, se corre el riesgo de enviar agua sin evaporar al tubo de salida de vapor. Esto inunda la caera de vapor, disminuyendo el rendimiento, y quitando espacio al vapor para lograr el trabajo necesario. Por otro parte, se inundan los tubos de retorno y las trampas de vapor con el agua de caldera. Un primer dispositivo de instalacin obligatoria en toda caldera, es el tubo de nivel, que permite visualizar la cantidad de agua contenida en la envuelta. Dado que esto requiere la observacin permanente del foguista, y que est sujeto a errores humanos, se suelen instalar adems, sensores de nivel que se encargan de automatizar la puesta en marcha y apagado de las bombas de alimentacin de agua de caldera.

Vlvula de seguridad: Dado que una caldera humotubular es un recipiente de presin, todo el diseo y clculo de su estructura est basado en una presin denominada de diseo. Para evitar superar los lmites de presin establecidos durante el diseo de la misma, se suelen instalar presstatos que controlan la presin alcanzada dentro de la misma. Pero dado que todo sistema automtico de control es susceptible de fallas, existe la obligatoriedad de instalar las denominadas vlvulas de seguridad. Estas solo operarn, cuando todos los sistemas de control de la presin hallan fallado.

Detectores de llama: En los quemadores de caldera, existe un riesgo siempre latente de apagado de la llama. Esto ltimo es ms frecuente en el uso de fuel oil, dado que suelen existir bolsones de agua o de otras sustancias no combustibles (como contaminantes). En el caso del gas, si bien puede darse la aparicin de gases no combustibles, que varen la relacin de combustible/comburente, que produzcan el apagado accidental de la llama, esto es menos frecuente. El riesgo del apagado, estriba en la posibilidad, que ante la deteccin por parte del foguista de la falta de llama, se intente el re encendido. Esto es un error fatal, dado que si el apagado fue lo suficientemente prolongado en el tiempo, todo el hogar, an caliente, se inunda de gases y vapores combustibles sin quemar. Al momento en que el foguista intente el re encendido del quemador, puede sobrevenir una explosin que destruya la caldera y produzca prdidas humanas. Esto fue causa de una gran cantidad de accidentes durante el siglo XIX, con la llegada de la



revolucin industrial, que dejaron como saldo centenares de muertos en cada explosin. Para evitar esto, en la actualidad se utilizan de manera obligatoria, unos dispositivos llamados detectores de llama. Estos trabajan detectando radiaciones de tipo infrarroja, luz visible y ultravioleta. Adems, detectan el parpadeo de la llama, que es caracterstica de todo quemador, producto de la corriente de aire forzado que se inyecta al mismo. Cuando se produce la anomala, el detector emite la seal que desencadena el proceso de apagado de la caldera. Este fue descripto anteriormente razn por la cual no se explicar en este apartado.

Planta de ablandamiento de agua: Toda el agua que se utiliza en la caldera tiene que estar exenta, dentro de lo posible de sales y slidos, dado que los mismos se depositan como sarro en la superficie exterior de los tubos de humo. Este depsito de sarro, forma una capa aislante que evita el intercambio de calor entre el agua y los gases de combustin. Lo primero que ocasiona, es una prdida de calefaccin, que redunda en una menor produccin de vapor. El segundo, y gran problema que trae aparejado esta acumulacin de sarro, es una falta de refrigeracin del lado humo de la pared de los caos. Esto conlleva a una elevacin de la temperatura, que puede ocasionar, ante la rotura eventual de una parte del sarro, el contacto brusco de la masa de agua con el tubo recalentado, lo que produce la vaporizacin violenta y expansiva que puede colapsar los tubos. De producirse el colapso de los tubos, se producir una mayor vaporizacin, seguida de una explosin que destruye la caldera. La manera en que se puede monitorear el estado del agua, adems de medir el PH, es medir la conductividad elctrica de la misma. Esto se basa en que el agua pura Destilada, exenta de sales, no es conductora de la electricidad.

Manmetro: Es obligatoria la instalacin de manmetros que puedan informar la presin interna de la envuelta. Dado que esta indicacin es local, y no permite controlar ningn equipo, adems de estos manmetros mecnicos, se suelen instalar sensores de presin que pueden disparar alarmas y eventualmente formar parte de algn sistema automtico de control.

Emplazamiento de la caldera: El lugar donde se instala la caldera, debe ser lo ms alejado posible de la presencia de personas, se deben construir paredes de mampostera reforzada y el techo debe ser de construccin liviana. Esto tiene por finalidad poder canalizar hacia arriba una eventual explosin, evitando en lo posible el dao que pudiera ocasionar en los alrededores. En el caso de instalar la caldera en un stano, por encima del mismo no puede construirse nada, para lograr el mismo efecto explicado anteriormente. Todos los requisitos edilicios y de seguridad en la instalacin de la caldera, se estipulan en los respectivos cdigos de edificacin municipal.

CALDERAS DE EVAPORACION RAPIDA El proceso de encendido de las calderas Tradicionales, tanto las humotubulares como las acuotubulares, es sumamente lento, producto de la gran inercia trmica. En grandes equipos se alcanzan y a veces superan las 5 a 6 horas para llegar a la temperatura de rgimen. Para poder evitar este problema, se desarrollaron calderas especiales, que pueden alcanzar las condiciones de funcionamiento en un tiempo muy breve (aproximadamente 5 minutos). Otra razn de la existencia de estas calderas, se debe a la carga variable de pequeas cantidades de vapor a presiones elevadas. Estos equipos se denominan de evaporacin rpida, y a continuacin se describir su construccin y principio de funcionamiento.



Estn constituidas por un serpentn helicoidal, similar a una bobina, por donde circula el agua, que es de circulacin forzada. El eje de esta bobina es vertical y en su parte inferior se encuentra alojado el hogar. El agua ingresa al serpentn por la parte superior y sale del mismo por la parte inferior. Se pueden alcanzar con este tipo de equipos, presiones de hasta 65 Kg/cm y producciones de vapor del orden de las 5 toneladas por hora. Este tipo de calderas de pequeas dimensiones y de construccin en fbrica, permite instalar al pie de cada consumidor una batera de produccin de vapor. Esto evita las grandes extensiones de tuberas de alimentacin de vapor, desde el gran productor de vapor hasta los distintos puntos de consumo.



UTILIZACION DEL VAPOR Como se mencion al principio de esta unidad, dejando de lado la generacin de energa elctrica, en la industria existe infinidad de aplicaciones que necesitan del vapor. A continuacin trataremos de hacer un breve resumen de estos usos, explicando a continuacin los elementos que se utilizan en las diferentes aplicaciones. Es importante aclarar que no es posible en este curso, hacer mencin taxativa de todas las aplicaciones y todas las industrias que utilizan el vapor. De todas maneras, dado que en todas ellas, lo que se aprovecha es el calor que provee el vapor, clasificaremos los distintos tipos de calefaccin.

1. COCCIN DE ALIMENTOS (Marmitas) 2. CALENTAMIENTO DE FLUIDOS (Intercambiadores de calor) 3. LINEAS DE ACOMPAAMIENTO (Steam tracing line Traceado) 4. LIMPIEZA, DESINFECCIN o ESTERILIZADO (Autoclaves, mquinas industriales

de lavado de envases, etc.) 5. SECADO (Mquinas de la industria maderera, sistemas de pintado) 6. INYECCIN DE PLASTICO (Prensas de inyectoras de plstico, etc.) 7. IMPRIMACION (Industria textil) 8. ATOMIZACION (Pulverizado de combustible lquido con vapor)

MARMITAS

Una marmita es una olla de metal cubierta con una tapa que queda totalmente ajustada. Se utiliza generalmente a nivel industrial para procesar alimentos tales como, mermeladas, jaleas, chocolate, dulces, confites, carnes, bocadillos, salsas, etc. Adems se utiliza este artefacto en la industria qumica, farmacutica y en todo proceso en el que se necesite incrementar la temperatura de la mezcla utilizando vapor, llama directa y/o resistencias elctricas.

Dependiendo de sus componentes, existen diferente tipo de marmitas, por ejemplo la marmita de vapor con chaqueta, de refrigeracin con chaqueta, con agitador, al vaco, con agitador de mocin doble, de gas y marmita con calentador elctrico.

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INTERCAMBIADORES DE CALOR - INTRODUCCION

Un Intercambiador de Calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que est ms caliente de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que est fro y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a travs de una pared metlica o de un tubo que separa ambos fluidos. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres:

Intercambiador de Calor: Realiza la funcin doble de calentar y enfriar dos fluidos. Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. Enfriador: Enfra un fluido por medio de agua. Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. Rehervidor: Dispositivo usado en conjunto con columnas de destilacin, con el objeto de vaporizar una determinada fraccin o parte de los productos en el fondo. Vaporizador: A diferencia del anterior, el vaporizador se utiliza para evaporar la totalidad del lquido.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES En este punto se realiza una descripcin de los tipos fundamentales de intercambiadores que son.

Intercambiadores de tubo doble u horquilla

Estn constituidos por dos tubos concntricos, un fluido circula por el tubo interior y el otro por el nulo que queda entre ambos tubos, la transferencia se realiza a travs de la pared del tubo interior. Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de rea de transferencia son pequeos.



Existen dos posibilidades de circulacin de los fluidos, que ambos circulen en la misma direccin Flujo paralelo o que circulen en sentido opuesto Flujo contracorriente.

Las curvas caractersticas de evolucin de temperaturas en cada caso son:

Intercambiadores de tipo placa

Llamados tambin intercambiadores compactos, admiten una gran variedad de

materiales de construccin, tiene una elevada rea de intercambio en una disposicin muy compacta. Por la construccin estn limitados a presiones pequeas.



Intercambiadores de casco y tubo

Son los intercambiadores ms ampliamente utilizados en la industria qumica y con las consideraciones de diseo mejor definidas. Consisten en una estructura de tubos pequeos colocados en el interior de un casco de mayor dimetro. Las consideraciones de diseo estn estandarizadas por The Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA).

Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tres letras, el dimetro en pulgadas del casco y la longitud nominal de los tubos en pulgadas. La primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los de tipo A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los ms comunes. La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La ms comn es la E (casco de un paso) la F de dos pasos es ms complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las prdidas de presin en el casco. El tipo K es el tipo de rehervidor de caldera utilizado en torre de fraccionamiento. La tercera letra nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S , T y U son los ms utilizados. El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el dimetro del cabezal es mayor que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin contrabrida) puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor dimetro de casco para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el ms econmico, pero a la hora de mantenimiento necesita una gran variedad de tubos en stock.



CURVAS CARACTERISTICAS DE EVOLUCION DIAGRAMAS TERMICOS Dado que existen procesos de intercambio con calor sensible o con calor latente, adems de flujo paralelo o contracorriente, a continuacin se presentan las 4 curvas caractersticas de cada posible situacin.

DIFERENTES ARREGLOS DE TUBOS EN INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBO En este tipo de intercambiadores, la configuracin geomtrica de los tubos en la placa, puede ser de diferentes formas. Cada una de ellas presenta ventajas y desventajas. Las configuraciones son las que se detallan a continuacin:



En el arreglo (a) o (c) se ocupa ms espacio que en el (b), que redunda en mayores dimensiones para el mismo proceso, pero se simplifica la operacin de limpieza. La turbulencia que se genera es baja y la transferencia de calor se reduce, pero las cadas de presin se reducen. El arreglo (d) es una mejora al arreglo (b) con relacin a la operacin de limpieza. DISEO DE INTERCAMBIADORES Para poder comenzar a definir un intercambiador de calor, debemos efectuar una serie de estimaciones y clculos.

Balance de energa

Lo primero que podemos hacer es suponer que el intercambiador es adiabtico (no existen perdidas de calor al medio). Adems supondremos que el flujo msico es constante, lo que significa que se efecta a rgimen permanente. Se supone adems que las propiedades fsicas de los fluidos se mantienen constantes. Por ltimo la conduccin axial se supone despreciable y el coeficiente global de transferencia de calor se asume constante.

Dado que se asumi que el proceso es adiabtico, ambos calores deben ser iguales (Q1 = Q2). Los problemas de balance pueden ser de tres tipos diferentes: 1.- Se conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2), el calor transferido (q) y las temperaturas de entrada y salida de ambas corrientes (T1, T2, t1, t2), en este caso solo se comprueban los calores especficos y latentes de ambas corrientes y el calor transferido por ambas. 2.- Se conocen los caudales de las dos corrientes, (Q1 y Q2) y las temperaturas de entrada y salida de una corriente as como la entrada de la otra (T1, T2, t1), en este caso solo se calcula el calor cedido en una corriente (q) y se utiliza este para determinar la temperatura de salida de la otra (t2). 3.- Se conocen el caudal de una corriente, (Q1) y las temperaturas de entrada y salida de ambas (T1, T2, t1, t2), en este caso solo se calcula el calor cedido en una corriente (q) y se utiliza este para determinar el caudal de la otra (Q2).

Asignacin de flujos



Las reglas generales aplicables para determinar que fluido va por el casco y cual por los tubos, son las siguientes: 1.- El fluido a mayor presin va en los tubos. 2.- El fluido ms corrosivo va en los tubos. 3.- Los fluidos ms sucios van en los tubos 4.- El fluido con menor prdida de presin va en el casco. 5.- El fluido a condensar en el casco. 6.- Si el fluido es muy viscoso y circula en rgimen laminar por los tubos, conviene hacerlo circular por el casco, para que se transforme en turbulento con los deflectores y mejore el intercambio de calor.

Diagramas trmicos

Un diagrama trmico es la representacin de la temperatura de las corrientes en funcin del calor transferido o de la longitud. Si existe cruce de temperaturas ser necesario utilizar varios intercambiadores en serie.

Numero de intercambiadores en serie

El nmero de celdas en serie se determina a travs del diagrama trmico. En un intercambiador con un paso en casco y dos en tubo no es posible que se crucen las temperaturas, es necesario establecer varias celdas donde las temperaturas de salida sean iguales (T2 = t2).



Diferencia de temperatura media logartmica LMTD

Esta diferencia de temperatura, surge de la expresin siguiente, utilizando las temperaturas de entrada y salida del fluido fro y caliente.

A BlnA

B

T TLMTD = T = TlnT

donde:

Para flujo paralelo (equicorriente) A 1 1T =T - t y B 2 2T =T - t

Para flujo contracorriente A 1 2T =T - t y B 2 1T =T - t

Si tenemos varias zonas de transicin (p.e., condensacin ms enfriamiento), hay que aplicar la ecuacin de LMTD a cada tramo. La notacin utilizada en las expresiones anteriores representan lo indicado a continuacin: T: Temperatura de fuente caliente. t: Temperatura de fuente fra. 1: Subndice utilizado para el ingreso 2: Subndice utilizado para el egreso.

Diferencia de temperatura media corregida Para intercambiadores de casco y tubo

En este tipo de intercambiadores, el flujo no es ni equicorriente, ni a

contracorriente, sino que es una mezcla de ambos y depende tambin del nmero de pasos en los tubos y en el casco. Para corregir estas diferencias se utiliza un factor F que se determina de grficos, con la ayuda de las dos expresiones siguientes: Llamada efectividad del lado fro.

Que es la razn de la capacidad trmica.

Cuando se determinan los valores de P y R en cada caso, se ingresa en el grfico correspondiente para obtener el valor de F.



Un valor de F < 0,8 no es admisible por diseo, en ese caso se debe replantear el diseo hasta ajustar a un valor superior a 0,8.



Cuando en alguno de los dos fluidos se mantiene la temperatura (evaporacin o condensacin) F toma el valor 1.

Clculo del dimetro del tubo, espesor y longitud.

El tamao nominal de los tubos de un intercambiador de calor es el dimetro exterior en pulgadas, los valores tpicos son 5/8, y 1 in. Con longitudes de 8, 10, 12, 16 y 20 pies. Siendo la tpica de 16 pies.

Los espesores de tubos estn dados segn BWG (Birmingham Wire Gauge) y se determinan por la presin de trabajo y el sobreespesor de corrosin. Los valores tpicos son 16 18 para Latn Admiralty y 12, 13 14 para acero al carbono.

La configuracin de los tubos puede ser cuadrada, cuadrada girada 90, o triangular. La cuadrada se utiliza por facilidad de limpieza mecnica.

Las dimensiones tpicas son:

Dimetro del tubo Separacin entre tubos Configuracin 5/8 13/16 Triangular 5/8 7/8 Cuadrada 5/8 7/8 Cuadrada girada 3/4 15/16 Triangular 3/4 1 Triangular 1 Cuadrada

3/4 1 Cuadrada girada 1 1-1/4 Triangular 1 1-1/4 Cuadrada 1 1-1/4 Cuadrada girada

Una primera aproximacin de tubos a utilizar es: Dimetro in, Separacin

triangular a 1 in con 16 ft de largo y espesor 14 BWG.

Coeficientes de transferencia de calor

La ecuacin bsica de transferencia de calor es:

0 0q = U . A . MTD Donde: q: Calor transmitido por unidad de tiempo Uo: Coeficiente global de transmisin de calor Ao: Area de intercambio MTD: Diferencia media de temperaturas corregida.

El problema consiste en determinar el valor de Uo. Este coeficiente depende de la configuracin del intercambiador el cual es funcin del rea de intercambio. Por lo tanto el proceso es iterativo. Se comienza con una estimacin preliminar de Uo basada en reglas generales, con este valor podemos despejar el rea de intercambio, con lo que conoceremos el nmero de tubos y su configuracin y finalmente el tamao del casco del intercambiador. Con las dimensiones se recalcula Uo y si este valor no concuerda con el previsto se repite el proceso.



El coeficiente global de transmisin de calor combina todas las resistencias al flujo calorfico. Todas deben basarse en el rea exterior de los tubos.

io dio mo do oo

1 = r + r + r + r + r U

Donde: rio: Resistencia de pelicula interna = 1/hio rdio: Resistencia de suciedad interna rmo: Resistencia de la pared metlica rdo: Resistencia de suciedad externa ro: Resistencia de pelicula externa = 1/ho

Donde:

h: Coeficiente de pelcula de transmisin de calor di: Dimetro interno do: Dimetro externo Km: Conductividad trmica del material Para conocer los coeficientes de resistencia de suciedad y de pelcula, se utilizan habitualmente tablas y grficos. Tambin existen expresiones analticas, que presentan la dificultad de conocer de antemano, la geometra y configuracin del intercambiador que se est intentando disear. Dado que el curso no est orientado a especialistas en la materia, se brinda a continuacin una tabla con algunos coeficientes globales U para distintos fluidos. A los fines de estimacin preliminar puede dar resultados bastantes satisfactorios.



De todas maneras, el uso de estos valores requiere de la experiencia y el conocimiento de los valores que se asumen en cada caso, para que sean representativos de la realidad.

Coeficiente de pelcula lado tubos (hio)

El sistema ms rpido es estimar hio utilizando el siguiente grfico, donde se obtiene hio en funcin de la temperatura (agua), viscosidad (petrleos), o calores especficos (gases) y de la velocidad msica (lb/s-ft2), donde hio est en Btu/hr-ft2-F. Utilizar los rangos de velocidad recomendados.



Coeficiente de pelcula lado casco (ho)

El sistema ms rpido es estimar ho utilizando la siguiente tabla, donde se obtiene ho en funcin de la temperatura (agua), viscosidad (petrleos), o calores especficos (gases) y de la velocidad msica (lb/s-ft2), donde ho est en Btu/hr-ft2-F. Utilizar los rangos de velocidad recomendados. Hay que aplicar el factor de correccin indicado en funcin de la configuracin de los tubos y su dimetro.



Para ingresar en el grfico del lado tubos, el valor de G se obtiene de la siguiente expresin:

Resistencia de suciedad (externa e interna) rd

Para determinar los coeficientes de resistencia por suciedad, se utilizan por lo general tablas que informan estos valores. A continuacin se da una a modo de ejemplo.

Superficie necesaria

La superficie de intercambio (Ao) se obtiene de la siguiente frmula:

Si tenemos diferentes condiciones de intercambio, como enfriamiento y condensado, se calcula el rea de intercambio necesaria para cada condicin siendo el total la suma de ambas. El numero de tubos por celda simple ser :

Donde Ns es el nmero de celdas.



Tamao del casco

Dado que el paso pitch de los tubos, as como la configuracin triangular, cuadrada o cuadrada rotada est normalizado por el TEMA, las dimensiones del casco y el nmero de tubos pueden ser determinadas una vez conocida el rea necesaria.

De esta forma, se transcribe a continuacin una tabla para conocer las dimensiones geomtricas del intercambiador. Esta tabla es para tubo de y un paso de 15/16 de configuracin triangular y cabezal flotante.

Para otras configuraciones se transcribe a continuacin los factores de correccin multiplicadores correspondientes.



Si en lugar de configuracin de cabeza flotante tenemos otra configuracin, aplican

los siguientes factores:

Perdida de presin en el tubo.

El nmero de tubos de un intercambiador se ha calculado pensando en dos pasos en tubo, con este nmero se calcula la perdida de presin en el tubo. Si sta prdida de presin lo permite se puede aumentar el nmero de pasos.



De la tabla se obtienen dos factores:

Y = Las prdidas de presin por el flujo a travs de los tubos. B = Las prdidas de presin por las contracciones y expansiones a la entrada y

salida de los tubos. La ecuacin a aplicar es:

Donde: P = Perdida de presin total en tubo (psi) f = factor de friccin

El factor de friccin se calcula por:

Y = Factor de correccin (psi/ft) B = Factor de correccin (psi) L = Longitud de tubos (ft) Np = Nmero de pasos de tubos (N Pasos * N Celdas) = Factor de correccin por viscosidad

Perdida de presin en el casco.

El fluido que fluye a travs del casco debe cruzar el casco guiado por los desviadores y pasar a travs de la ventana o abertura que estos le dejen.

Los desviadores deben separarse en una distancia entre 1/5 del dimetro del casco y 30 pulgadas. El valor caracterstico es de 12 in.

El valor en porcentaje de paso (ventana) va desde el 10 % al 45 %, utilizndose valores de 15 % normalmente y del 40 % en condensadores.

La velocidad transversal msica (GX) en lb/s-ft2 , viene dada por:

Donde: Q = Flujo msico (lb/hr)



NFD = Distancia libre (Net Free Distance) (ft)

BP = Separacin entre desviadores (Buffle Pitch)

La velocidad a travs de la ventana (G1) en lb/s-ft2 , viene dada por:

Los factores para calcular NFD y NC son los siguientes:



La prdida de presin a travs del casco se calcula por la suma de las dos partes:

(1) La prdida de presin a lo largo de la estructura (PE)

PE = F S N NC / Donde:



N = Nmero de espacios entre desviadores (multiplicar por nmero de celdas) NC = Nmero de tubos cruzados por los desviadores

NC = (C + D dSI ) (1- c) S = Factor de tamao F = Factor de prdida de presin calculado por:

F = 0.0157 0.2 GX 1.8 si el flujo es turbulento

F = 0.026 GX si el flujo es laminar El flujo es turbulento si GX > 1.88 (2) La prdida de presin en las ventanas (PV)

PV = 0.000175 G12/ * N Desviadores Los datos han de ser (cp), G(lb/s-ft2), P(psi). LINEAS DE ACOMPAAMIENTO DE VAPOR (STEAM TRACING) El traceado de vapor resulta muy sencillo en su principio de funcionamiento. Cuando un producto en las tuberas est a temperatura ms alta que el aire que lo rodea, el calor atravesar las paredes de la tubera e ir hacia el aire. Esta prdida de temperatura provocar una cada de la temperatura del producto. Aislando la tubera disminuir de forma significativa el porcentaje de calor que se pierde, pero ningn aislante es 100% efectivo.

El vapor es un portador de energa muy eficiente con una relacin fija entre su presin y su temperatura. Puede transportar el calor durante largas distancias y abandonarlo a una temperatura constante. Para compensar el calor perdido, unas tuberas de vapor de pequeo dimetro, tambin llamadas "de acompaamiento", se incorporan a la lnea del producto. El calor del vapor pasa a la lnea de producto y sustituye al que se va perdiendo. La cantidad de calor transmitida, y por lo tanto, la temperatura del producto, puede ser regulada de forma muy fcil con unos simples sistemas de control autoaccionados. El mismo mtodo puede utilizarse para acondicionar el producto en las pocas ms fras del ao, permitiendo el vapor dentro de la lnea de traceado solo cuando la temperatura ambiental est por debajo de un cierto nivel.



TIPOS DE SISTEMAS DE CALEFACCION POR TRACEADO DE VAPOR Aplicaciones recubiertas: Mtodo usado en condiciones ultracrticas, bsicamente cuando se ha de mantener el producto todo el tiempo a una temperatura elevada. El uso de una cubierta de vapor permite un rpido precalentado de la tubera. Aplicaciones crticas: Los traceados se usan para mantener la temperatura de un producto que puede solidificarse o daarse en el caso que su temperatura descienda por debajo de un nivel predeterminado. Aplicaciones no crticas: Se procura mantener la viscosidad del producto a su nivel ptimo de bombeo. Anticongelacin: Se asegura que las tuberas no van a sufrir daos por congelacin en condiciones climatolgicas adversas. Aplicacin en instrumentos: Tuberas de pequeo dimetro, normalmente de unos 10mm, usadas para proteger medidores de caudal, vlvulas de control, estaciones de muestras, lneas de impulso, etc. DETERMINANDO LAS NECESIDADES DE TRACEADO

Para seleccionar el tamao y el nmero de las lneas que requiere una determinada aplicacin, debe determinarse el porcentaje de calor perdido por las tuberas del producto bajo las peores condiciones posibles de diseo.

Este porcentaje de calor perdido depende de la diferencia entre la temperatura del producto y la del ambiente. Hay otros factores, como puedan ser la conductividad trmica del aislamiento, la velocidad del viento en el ambiente exterior a las tuberas o la capacidad de emisin de la superficie de aislamiento, que tambin afectarn a esta prdida de calor.

La siguiente tabla proporciona las prdidas de calor para tuberas del producto aisladas de hasta 500mm de dimetro y con dos medidas alternativas de grosor de aislamiento: 50mm y 100mm. La tabla proporciona las diferencias de temperatura calculando una velocidad media del viento a 10 m/s, condicin adecuada para la mayora de las aplicaciones.

vapor y sus instalaciones

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